多态性（二）——动态多态性之虚函数

  1.虚函数的作用

  C++中的虚函数是用于解决动态多态性的问题。所谓虚函数(virtual function)，就是在基类声明函数是虚拟的，并不是实际存在的函数，然后在派生类中才正式定义此函数。

那么虚函数有何作用呢？我们先来看看这样一段程序：
在上一篇讨论静态多态性的文章里，让我们在其中的Circle类和Cylinder类中都增加一个函数void display();

在Circle类中：

void Circle::display()

{cout<<"Center=["<

在Cyclinder类中：
void Cylinder::display()

{cout<<"Center=["<

下面是测试程序：

#include
   
   
    
    
#include"Point.h"
#include"Circle.h"
#include"Cylinder.h"
using namespace std;

int main()
{
    Circle a(1.1,1.1,1.1);
    Cylinder b(2.2,2.2,2.2,2);
    Circle *pt=&a;
    pt->display();
    pt=&b;
    pt->display();
return 0;
}

   
   

得出结果如下：

  可以从结果中看出，结果中并没有把Cylinder类的对象b的全部数据输出（缺少了height）,这是因为当使pt指向对象b时，再调用pt->display()时,并没有如想象中那样调用了b中的display函数，而是调用了a中的display函数，这就是同名覆盖原则下编译的效果。（在同一个类中是不能定义两个名字相同、参数个数和类型都相同的函数，否则就是“重复定义”。但由于有类的继承，所以这些“完全同名函数”可以在不同的类里出现。编译时，编译系统会按照同名覆盖的原则决定调用的对象。）

  [相关说明：基类指针（pt）是用来指向基类对象的，如果用它指向派生类对象，则自动进行指针类型转换，将派生类的对象的指针先转换为基类的指针，这样，基类指针指向的是派生类对象中的基类部分。所以，如不修改程序，是无法通过基类指针去调用派生类对象中的成员函数的。]

  如果想调用对象b中的display函数，可以新定义一个指向Cylinder类对象的指针变量，再使该新的指针变量指向Cylinder类的对象。但是，如果一个基类派生出多个基类，每个派生类又派生出多个派生类，形成了同一基类的类族，而每个派生类都有同名函数，要想在程序中调用同一类族的不同类的同名函数，就要定义大量的指向各派生类的指针变量，这会很麻烦。而虚函数的应用可以很好地解决这一问题。

  现在让我们在Circle类中的display函数的定义前加上关键字virtual,如下：

  virtual void display（）;

  再编译一下测试程序，得出结果如下：

 

  由程序运行结果我们可以看出：用同一种调用方式，用同一个指针变量（pt是指向基类对象的指针变量），可以调用同一类族中不同类的虚函数，这就是虚函数实现的动态多态性的体现：同一类族中不同类的对象，对同一函数调用作出不同的响应。

  总结：虚函数的作用：允许在派生类中重新定义与基类同名的函数，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。

（注：在基类中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对象中的成员函数，而这并不是多态性行为的。）

  在一个类里，函数重载处理的是同一层次上的同名函数问题；而虚函数处理是不同层次（多个类）上的同名函数问题。前者是横向，后者是纵向。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（参数个数或类型不同）。

  2.虚函数的用法
（1）在基类中用virtual声明成员函数为虚函数，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，函数名、函数类型、函数参数个数和类型必须与基类的虚函数相同，根据派生类的需要重新定义函数体；
若在派生类中没有对基类的虚函数重新定义，则派生类简单地继承其直接基类的虚函数；
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（所以在派生类中，该函数的virtual可加可不加）。
（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指向的对象的同名函数。

 

 3.声明虚函数的注意事项

（1）只能用virtual声明类的成员函数，把它作为虚函数，而不能将类外的普通函数声明为虚函数。

（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能再定义一个非virtual的但与该虚函数具有相同的参数（包括个数和类型）和函数返回值类型的同名函数。

 4.相关概念

  关联(blinding)：确定调用的具体对象的过程。

  函数重载和通过对象名调用的虚函数，在编译时即可确定其调用的虚函数属于一类，其过程称为静态关联(static binding)，又称早期关联(early binding)。

  而另一种通过基类指针调用虚函数，由于并没有指定对象名，而编译时只能作静态的语法检查，则只从词句形式上是无法确定调用对象的。在这种情况下，编译系统把它放到运行阶段处理，在运行阶段确定关联关系。在运行阶段，基类指针变量先指向了某一个类对象，然后通过此指针变量调用该对象中函数。此时，调用哪一个对象的函数无疑是很确定的。这种过程称为动态关联(dynamic binding)，也称滞后关联(late binding)。

  使用虚函数时，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。系统在进行动态关联时的时间开销是很少的，因此，虚函数多态性是高效的。

 5.虚析构函数

 下面下来看一个例子：

我们先定义一个Father类：

#ifndef FATHER
#define FATHER
#include
   
   
    
    
using namespace std;

class Father
{public:
Father(){}
virtual ~Father(){cout<<"I have deleted Father!"<
    
    
   
   

然后再定义一个派生类Kid类：

#ifndef KID
#define KID
#include
    
    
     
     
using namespace std;

class Kid:public Father
{public:
Kid(){}
~Kid(){cout<<"I have deleted Kid!"<
     
     
    
    

下面是测试程序：

#include
     
     
      
      
#include"Father.h"
#include"Kid.h"
using namespace std;


void main()
{
    Father *p=new Kid;
    delete p;
}

     
     

测试结果如下图：

  在测试结果中我们可以发现，系统只执行基类的析构函数，而不执行派生类的析构函数。原因是前文我们所说的同名覆盖原则之下的编译。

  所以我们要把基类的析构函数定义为虚函数，以使编译系统在撤销对象时，不会发生没有执行派生类的析构函数。

在Fateher类的析构函数前加上关键字virtual，如下：

virtual ~Father(){cout<<"I have deleted Father!"<

则测试程序的结果如下：

  把基类中的析构函数定义为虚函数后，则由其派生的所有派生类的析构函数都自动成为虚函数，即便基类的析构函数与派生类的析构函数不同名。

  [注：构造函数不能声明为虚函数。这是因为在执行制造函数时类对象还未完成建立过程，就谈不上把函数与类对象的绑定。]

参考资料：《C++程序设计（第2版）》.谭浩强.清华大学出版社.2011.8.pag398-405