首先来说一说虚函数,所谓虚函数是这样一个概念:基类中有这么一些函数,这些函数允许在派生类中其实现可以和基类的不一样。在C++中用关键字virtual来表示一个函数是虚函数。
C++中还有一个术语 “覆盖”与虚函数关系密切。所谓覆盖就是说,派生类中的一个函数的声明,与基类中某一个函数的声明一模一样,包括返回值,函数名,参数个数,参数类型,参数次序都不能有差异。(注1)说覆盖和虚函数关系密切的原因有两个:一个原因是,只有覆盖基类的虚函数才是安全的。第二个原因是,要想实现基于虚函数的多态就必须在派生类中覆盖基类的虚函数。
接下来让我们说一说为什么要有虚函数,分析一下为什么派生类非要在某些情况下覆盖基类的虚函数。就以那个非常著名的图形绘制的例子来说吧。假设我们在为一个图形系统编程。我们可能有一个类结构。
形状对外公开一个函数来把自己绘制出来。这是合理的,形状就应该能绘制出来,对吧?由于继承的原因,多边形和圆形也有了绘制自己这个函数。
现在我们来讨论在这三个类中的绘制自己的函数都应该怎么实现。在形状中嘛,什么也不做就行了。在多边形中嘛,只要把它所有的顶点首尾相连起来就行了。在圆形中嘛,依据它的圆心和它的半径画一个360度的圆弧就行了。
可是现在的问题是:多边形和圆形的绘制自己的函数是从形状继承而来的,并不能做连接顶点和画圆弧的工作。
怎么办呢?覆盖它,覆盖形状中的绘制自己这个函数。于是我们在多边形和圆形中各做一个绘制自己的函数,覆盖形状中的绘制自己的函数。为了实现覆盖,我们需要把形状中的绘制自己这个函数用virtual修饰。而且形状中的绘制自己这个函数什么也不干,我们就把它做成一个纯虚函数。纯虚函数还有一个作用,就是让它所在的类成为抽象类。形状理应是一个抽象类,不是吗?于是我们很快写出这三个类的代码如下:
class Shape//形状
{
public:
virtualvoid DrawSelf()//绘制自己
{
cout << \"我是一个什么也绘不出的图形\" << endl;
}
};
class Polygo:public Shape//多边形
{
public:
void DrawSelf() //绘制自己
{
cout << \"连接各顶点\" << endl;
}
};
class Circ:public Shape//圆
{
public:
void DrawSelf() //绘制自己
{
cout << \"以圆心和半径为依据画弧\" << endl;
}
};
下面,我们将以上面的这三个类为基础来说明动态多态。在进行更进一步的说明之前,我们先来说一个不得不说的两个概念:“子类型”和“向上转型”。
向上转型
子类型很好理解,比如上面的多边形和圆形就是形状的子类型。关于子类型还有一个确切的定义为:如果类型X扩充或实现了类型Y,那么就说X是Y的子类型。
向上转型的意思是说把一个子类型转的对象换为父类型的对象。就好比把一个多边形转为一个形状。向上转型的意思就这么简单,但它的意义却很深远。向上转型中有三点需要我们特别注意。第一,向上转型是安全的。第二,向上转型可以自动完成。第三,向上转型的过程中会丢失子类型信息。这三点在整个动态多态中发挥着重要的作用。 [Page]
假如我们有如下的一个函数:
void OutputShape( Shape arg)//专门负责调用形状的绘制自己的函数
{
arg.DrawSelf();
}
那么现在我们可以这样使用OutputShape这个函数:
Polygon shape1;
Circ shape2;
OutputShape(shape1);
OutputShape(shape2);
我们之所以可以这样使用OutputShape函数,正是由于向上转型是安全的(不会有任何的编译警告),是由于向上转弄是自动的(我们没有自己把shape1和shape2转为Shape类型再传给OutputShape函数)。可是上面这段程序运行后的输出结果是这样的:
我是一个什么也绘不出的图形
我是一个什么也绘不出的图形
明明是一个多边形和一个圆呀,应该是输出这下面这个样子才合理呀!
连接各顶点
以圆心和半径为依据画弧
造成前面的不合理的输出的罪魁祸首正是‘向上转型中的子类型信息丢失’。为了得到一个合理的输出,得想个办法来找回那些丢失的子类型信息。C++中用一种比较巧妙的办法来找回那些丢失的子类型信息。这个办法就是采用指针或引用。