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  • C++教程之多态 (Polymorphism)

多态 (Polymorphism)

为了能更好的理解本节内容，你需要清楚的知道怎样使用指针pointers 和类之间的继承 inheritance between classes。建议如果你觉得以下这些表达式比较生疏的的话， 请复习指定的章节：
int a::b(c) {};    // 类Classes (Section 4.1)
a->b               // 指针和对象pointers and objects (Section 4.2)
class a: public b; // 类之间的关系Relationships between classes (Section 4.3)
 
 

基类的指针(Pointers to base class)

继承的好处之一是一个指向子类(derived class)的指针与一个指向基类(base class)的指针是type-compatible的。 本节就是重点介绍如何利用C++的这一重要特性。例如，我们将结合C++的这个功能，重写前面小节中关于长方形rectangle 和三角形 triangle 的程序：
// pointers to base class
#include <iostream.h>
class CPolygon {
protected:
    int width, height;
public:
    void set_values (int a, int b) {
        width=a; height=b;
    }
};
class CRectangle: public CPolygon {
public:
    int area (void) {
         return (width * height);
    }
};
class CTriangle: public CPolygon {
public:
    int area (void) {
         return (width * height / 2);
    }
};
int main () {
    CRectangle rect;
    CTriangle trgl;
    CPolygon * ppoly1 = &rect;
    CPolygon * ppoly2 = &trgl;
    ppoly1->set_values (4,5);
    ppoly2->set_values (4,5);
    cout << rect.area() << endl;
    cout << trgl.area() << endl;
    return 0;
}
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在主函数 main 中定义了两个指向class CPolygon的对象的指针，即 *ppoly1 和 *ppoly2。 它们被赋值为rect 和 trgl的地址，因为rect 和 trgl是CPolygon 的子类的对象，因此这种赋值是有效的。
使用*ppoly1 和 *ppoly2 取代rect 和trgl 的唯一限制是*ppoly1 和 *ppoly2 是CPolygon* 类型的，因此我们只能够引用CRectangle 和 CTriangle 从基类CPolygon中继承的成员。正是由于这个原因，我们不能够使用*ppoly1 和 *ppoly2 来调用成员函数 area()，而只能使用rect 和 trgl来调用这个函数。
要想使CPolygon 的指针承认area()为合法成员函数，必须在基类中声明它，而不能只在子类进行声明(见下一小节)。
 

虚拟成员(Virtual members)

如果想在基类中定义一个成员留待子类中进行细化，我们必须在它前面加关键字virtual ，以便可以使用指针对指向相应的对象进行操作。
请看一下例子：
// virtual members
#include <iostream.h>
class CPolygon {
    protected:
        int width, height;
    public:
        void set_values (int a, int b)  {
            width=a;
            height=b;
        }
        virtual int area (void) { return (0); }
};
class CRectangle: public CPolygon {
    public:
        int area (void) { return (width * height); }
};
class CTriangle: public CPolygon {
    public:
        int area (void) {
            return (width * height / 2);
        }
};
int main () {
    CRectangle rect;
    CTriangle trgl;
    CPolygon poly;
    CPolygon * ppoly1 = &rect;
    CPolygon * ppoly2 = &trgl;
    CPolygon * ppoly3 = &poly;
    ppoly1->set_values (4,5);
    ppoly2->set_values (4,5);
    ppoly3->set_values (4,5);
    cout << ppoly1->area() << endl;
    cout << ppoly2->area() << endl;
    cout << ppoly3->area() << endl;
    return 0;
}
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0
现在这三个类(CPolygon, CRectangle 和 CTriangle) 都有同样的成员：width, height, set_values() 和 area()。
area() 被定义为virtual 是因为它后来在子类中被细化了。你可以做一个试验，如果在代码种去掉这个关键字(virtual)，然后再执行这个程序，三个多边形的面积计算结果都将是 0 而不是20,10,0。这是因为没有了关键字virtual ，程序执行不再根据实际对象的不用而调用相应area() 函数(即分别为CRectangle::area(), CTriangle::area() 和 CPolygon::area())，取而代之，程序将全部调用CPolygon::area()，因为这些调用是通过CPolygon类型的指针进行的。
因此，关键字virtual 的作用就是在当使用基类的指针的时候，使子类中与基类同名的成员在适当的时候被调用，如前面例子中所示。
注意，虽然本身被定义为虚拟类型，我们还是可以声明一个CPolygon 类型的对象并调用它的area() 函数，它将返回0 ，如前面例子结果所示。
 

抽象基类(Abstract base classes)

基本的抽象类与我们前面例子中的类CPolygon 非常相似，唯一的区别是在我们前面的例子中，我们已经为类CPolygon的对象（例如对象poly）定义了一个有效地area()函数，而在一个抽象类（abstract base class）中，我们可以对它不定义，而简单得在函数声明后面写 =0 (等于0)。
类CPolygon 可以写成这样：
// abstract class CPolygon
class CPolygon {
    protected:
        int width, height;
    public:
        void set_values (int a, int b) {
            width=a;
            height=b;
        }
        virtual int area (void) =0;
};
注意我们是如何在virtual int area (void)加　=0 来代替函数的具体实现的。这种函数被称为纯虚拟函数（pure virtual function），而所有包含纯虚拟函数的类被称为抽象基类(abstract base classes)。
抽象基类的最大不同是它不能够有实例(对象)，但我们可以定义指向它的指针。因此，像这样的声明：
CPolygon poly;
对于前面定义的抽象基类是不合法的。
然而，指针：
CPolygon * ppoly1;
CPolygon * ppoly2
是完全合法的。这是因为该类包含的纯虚拟函数(pure virtual function) 是没有被实现的，而又不可能生成一个不包含它的所有成员定义的对象。然而，因为这个函数在其子类中被完整的定义了，所以生成一个指向其子类的对象的指针是完全合法的。
下面是完整的例子：
// virtual members
#include <iostream.h>
class CPolygon {
    protected:
        int width, height;
    public:
        void set_values (int a, int b) {
            width=a;
            height=b;
        }
        virtual int area (void) =0;
};
class CRectangle: public CPolygon {
    public:
        int area (void) { return (width * height); }
};
class CTriangle: public CPolygon {
    public:
        int area (void) {
            return (width * height / 2);
        }
};
int main () {
    CRectangle rect;
    CTriangle trgl;
    CPolygon * ppoly1 = &rect;
    CPolygon * ppoly2 = &trgl;
    ppoly1->set_values (4,5);
    ppoly2->set_values (4,5);
    cout << ppoly1->area() << endl;
    cout << ppoly2->area() << endl;
    return 0;
}
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再看一遍这段程序，你会发现我们可以用同一种类型的指针(CPolygon*)指向不同类的对象，至一点非常有用。 想象一下，现在我们可以写一个CPolygon 的成员函数，使得它可以将函数area()的结果打印到屏幕上，而不必考虑具体是为哪一个子类。
// virtual members
#include <iostream.h>
class CPolygon {
    protected:
        int width, height;
    public:
        void set_values (int a, int b) {
            width=a;
            height=b;
        }
        virtual int area (void) =0;
        void printarea (void) {
            cout << this->area() << endl;
        }
};
class CRectangle: public CPolygon {
    public:
        int area (void) { return (width * height); }
};
class CTriangle: public CPolygon {
    public:
        int area (void) {
            return (width * height / 2);
        }
};
int main () {
    CRectangle rect;
    CTriangle trgl;
    CPolygon * ppoly1 = &rect;
    CPolygon * ppoly2 = &trgl;
    ppoly1->set_values (4,5);
    ppoly2->set_values (4,5);
    ppoly1->printarea();
    ppoly2->printarea();
    return 0;
}
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记住，this 代表代码正在被执行的这一个对象的指针。
抽象类和虚拟成员赋予了C++ 多态(polymorphic)的特征，使得面向对象的编程object-oriented programming成为一个有用的工具。这里只是展示了这些功能最简单的用途。想象一下如果在对象数组或动态分配的对象上使用这些功能，将会节省多少麻烦。

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