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详解C++编程的多态性概念
多态性(polymorphism)是面向对象程序设计的一个重要特征。如果一种语言只支持类而不支持多态，是不能被称为面向对象语言的，只能说是基于对象的，如Ada、VB就属此类。C++支持多态性，在C++程序设计中能够实现多态性。利用多态性可以设计和实现一个易于扩展的系统。
顾名思义，多态的意思是一个事物有多种形态。多态性的英文单词polymorphism来源于希腊词根poly(意为“很多”)和morph(意为“形态”)。在C ++程序设计中，多态性是指具有不同功能的函数可以用同一个函数名，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。所谓消息，就是调用函数，不同的行为就是指不同的实现，即执行不同的函数。
其实，我们已经多次接触过多态性的现象，例如函数的重载、运算符重载都是多态现象。只是那时没有用到多态性这一专门术语而已。例如，使用运算符“+”使两个数值相加，就是发送一个消息，它要调用operator +函数。实际上，整型、单精度型、双精度型的加法操作过程是互不相同的，是由不同内容的函数实现的。显然，它们以不同的行为或方法来响应同一消息。
在现实生活中可以看到许多多态性的例子。如学校校长向社会发布一个消息：9月1日新学年开学。不同的对象会作出不同的响应：学生要准备好课本准时到校上课；家长要筹集学费；教师要备好课；后勤部门要准备好教室、宿舍和食堂……由于事先对各种人的任务已作了规定，因此，在得到同一个消息时，各种人都知道自己应当怎么做，这就是 多态性。可以设想，如果不利用多态性，那么校长就要分别给学生、家长、教师、后勤部门等许多不同的对象分别发通知，分别具体规定每一种人接到通知后应该怎么做。显然这是一件十分复杂而细致的工作。一人包揽一切，吃力还不讨好。现在，利用了多态性机制，校长在发布消息时，不必一一具体考虑不同类型人员是怎样执行的。至于各类人员在接到消息后应气做什么，并不是临时决定的，而是学校的工作机制事先安排决定好的。校长只需不断发布各种消息，各种人员就会按预定方案有条不紊地工作。
同样，在C++程序设计中，在不同的类中定义了其响应消息的方法，那么使用这些类 时，不必考虑它们是什么类型，只要发布消息即可。正如在使用运算符“ ”时不必考虑相加的数值是整型、单精度型还是双精度型，直接使用“+”，不论哪类数值都能实现相加。可以说这是以不变应万变的方法，不论对象千变万化，用户都是用同一形式的信息去调用它们，使它们根据事先的安排作出反应。
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于静态多态性，在程序编译时系统就能决定调用的是哪个函数，因此静态多态性又称编译时的多态性。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)。动态多态性是在程序运行过程中才动态地确定操作所针对的对象。它又称运行时的多态性。动态多态性是通过虚函数(Virtual fiinction)实现的。
下面是一个承上启下的例子。一方面它是有关继承和运算符重载内容的综合应用的例子，通过这个例子可以进一步融会贯通前面所学的内容，另一方面又是作为讨论多态性的一个基础用例。
希望大家耐心、深入地阅读和消化这个程序，弄清其中的每一个细节。
[例] 先建立一个Point(点)类，包含数据成员x,y(坐标点)。以它为基类，派生出一个Circle(圆)类，增加数据成员r(半径)，再以Circle类为直接基类，派生出一个Cylinder(圆柱体)类，再增加数据成员h(高)。要求编写程序，重载运算符“<>”，使之能用于输出以上类对象。
这个例题难度不大，但程序很长。对于一个比较大的程序，应当分成若干步骤进行。先声明基类，再声明派生类，逐级进行，分步调试。
1) 声明基类Point
类可写出声明基类Point的部分如下：
#include
//声明类Point
class Point
{
public:
Point(float x=0,float y=0); //有默认参数的构造函数
void setPoint(float ,float); //设置坐标值
float getX( )const {return x;} //读x坐标
float getY( )const {return y;} //读y坐标
friend ostream & operator <
protected: //受保护成员
float x, y;
};
//下面定义Point类的成员函数
Point::Point(float a,float b) //Point的构造函数
{ //对x,y初始化
x=a;
y=b;
}
void Point::setPoint(float a,float b) //设置x和y的坐标值
{ //为x,y赋新值
x=a;
y=b;
}
//重载运算符“<
ostream & operator <
{
output<
return output;
}
以上完成了基类Point类的声明。
为了提高程序调试的效率，提倡对程序分步调试，不要将一个长的程序都写完以后才统一调试，那样在编译时可能会同时出现大量的编译错误，面对一个长的程序，程序人员往往难以迅速准确地找到出错位置。要善于将一个大的程序分解为若干个文件，分别编译，或者分步调试，先通过最基本的部分，再逐步扩充。
现在要对上面写的基类声明进行调试，检查它是否有错，为此要写出main函数。实际上它是一个测试程序。
int main( )
{
Point p(3.5,6.4); //建立Point类对象p
cout<
p.setPoint(8.5,6.8); //重新设置p的坐标值
cout<
return 0;
}
getX和getY函数声明为常成员函数，作用是只允许函数引用类中的数据，而不允许修改它们，以保证类中数据的安全。数据成员x和y声明为protected，这样可以被派生类访问(如果声明为private，派生类是不能访问的)。
程序编译通过，运行结果为：
x=3.5,y=6.4
p(new):[8.5,6.8]
测试程序检查了基类中各函数的功能，以及运算符重载的作用，证明程序是正确的。
2)声明派生类Circle
在上面的基础上，再写出声明派生类Circle的部分：
class Circle:public Point //circle是Point类的公用派生类
{
public:
Circle(float x=0,float y=0,float r=0); //构造函数
void setRadius(float ); //设置半径值
float getRadius( )const; //读取半径值
float area ( )const; //计算圆面积
friend ostream &operator <
private:
float radius;
};
//定义构造函数，对圆心坐标和半径初始化
Circle::Circle(float a,float b,float r):Point(a,b),radius(r){}
//设置半径值
void Circle::setRadius(float r){radius=r;}
//读取半径值
float Circle::getRadius( )const {return radius;}
//计算圆面积
float Circle::area( )const
{
return 3.14159*radius*radius;
}
//重载运算符“<
ostream &operator <
{
output<
return output;
}
为了测试以上Circle类的定义，可以写出下面的主函数：
int main( )
{
Circle c(3.5,6.4,5.2); //建立Circle类对象c，并给定圆心坐标和半径
cout<
c.setRadius(7.5); //设置半径值
c.setPoint(5,5); //设置圆心坐标值x,y
cout<
Point &pRef=c; //pRef是Point类的引用变量，被c初始化
cout<
return 0;
}
程序编译通过，运行结果为：
original circle:(输出原来的圆的数据)
x=3.5, y=6.4, r=5.2, area=84.9486
new circle:(输出修改后的圆的数据)
Center=[5,5], r=7.5, area=176.714
pRef:[5,5] (输出圆的圆心“点”的数据)
可以看到，在Point类中声明了一次运算符“ <
请注意main函数第8行：
Point & pRef = c;
定义了 Point类的引用变量pRef，并用派生类Circle对象c对其初始化。前面我们已经讲过，派生类对象可以替代基类对象为基类对象的引用初始化或赋值(详情请查看：C++基类与派生类的转换)。现在 Circle是Point的公用派生类，因此，pRef不能认为是c的别名，它得到了c的起始地址， 它只是c中基类部分的别名，与c中基类部分共享同一段存储单元。所以用“cout<
3) 声明Circle的派生类Cylinder
前面已从基类Point派生出Circle类，现在再从Circle派生出Cylinder类。
class Cylinder:public Circle// Cylinder是Circle的公用派生类
{
public:
Cylinder (float x=0,float y=0,float r=0,float h=0); //构造函数
void setHeight(float ); //设置圆柱高
float getHeight( )const; //读取圆柱高
loat area( )const; //计算圆表面积
float volume( )const; //计算圆柱体积
friend ostream& operator <
protected:
float height;//圆柱高
};
//定义构造函数
Cylinder::Cylinder(float a,float b,float r,float h):Circle(a,b,r),height(h){}
//设置圆柱高
void Cylinder::setHeight(float h){height=h;}
//读取圆柱高
float Cylinder::getHeight( )const {return height;}
//计算圆表面积
float Cylinder::area( )const { return 2*Circle::area( )+2*3.14159*radius*height;}
//计算圆柱体积
float Cylinder::volume()const {return Circle::area()*height;}
ostream &operator <
{
output<
return output;
} //重载运算符“<
可以写出下面的主函数：
int main( )
{
Cylinder cy1(3.5,6.4,5.2,10);//定义Cylinder类对象cy1
cout<
<
<
cy1.setHeight(15);//设置圆柱高
cy1.setRadius(7.5);//设置圆半径
cy1.setPoint(5,5);//设置圆心坐标值x,y
cout<
Point &pRef=cy1;//pRef是Point类对象的引用变量
cout<
Circle &cRef=cy1;//cRef是Circle类对象的引用变量
cout<
return 0;
}
运行结果如下:
original cylinder:(输出cy1的初始值)
x=3.5, y=6.4, r=5.2, h=10 (圆心坐标x,y。半径r，高h)
area=496.623, volume=849.486 (圆柱表面积area和体积volume)
new cylinder: (输出cy1的新值)
Center=[5,5], r=7.5, h=15 (以[5,5]形式输出圆心坐标)
area=1060.29, volume=2650.72(圆柱表面积area和体积volume)
pRef as a Point:[5,5] (pRef作为一个“点”输出)
cRef as a Circle:Center=[5,5], r=7.5, area=176.714(cRef作为一个“圆”输出)
说明：在Cylinder类中定义了 area函数，它与Circle类中的area函数同名，根据前面我们讲解的同名覆盖的原则(详情请查看：C++多重继承的二义性问题)，cy1.area( ) 调用的是Cylinder类的area函数(求圆柱表面积)，而不是Circle类的area函数(圆面积)。请注意，这两个area函数不是重载函数，它们不仅函数名相同，而且函数类型和参数个数都相同，两个同名函数不在同 —个类中，而是分别在基类和派生类中，属于同名覆盖。重载函数的参数个数和参数类型必须至少有一者不同，否则系统无法确定调用哪一个函数。
main函数第9行用“cout<
main函数中最后4行的含义与在定义Circle类时的情况类似。pRef是Point类的引用变量，用cy1对其初始化，但它不是cy1的别名，只是cy1中基类Point部分的别名，在输出pRef时是作为一个Point类对象输出的，也就是说，它是一个“点”。同样，cRef是Circle类的引用变量，用cy1对其初始化，但它只是cy1中的直接基类Circle部分的别名， 在输出 cRef 时是作为Circle类对象输出的，它是一个"圆”，而不是一个“圆柱体”。从输 出的结果可以看出调用的是哪个运算符函数。
在本例中存在静态多态性，这是运算符重载引起的(注意3个运算符函数是重载而不是同名覆盖，因为有一个形参类型不同)。可以看到，在编译时编译系统即可以判定应调用哪个重载运算符函数。相关阅读:
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