【教学课件】第八章多态性.ppt

1,第八章 多态性,C+语言程序设计,2,本章主要内容,多态性运算符重载虚函数纯虚函数抽象类,3,多态性的概念,多态性是面向对象程序设计的重要特征之一。多态性是指发出同样的消息被不同类型的对象接收时有可能导致完全不同的行为。多态的实现：函数重载运算符重载虚函数,4,C+中没有复数类型，我们可以自己来定义一个复数类（class），同样可以用+、-、*、/来进行复数的算术运算。,5,问题举例复数的运算,class complex/复数类声明public:complex(double r=0.0,double i=0.0)/构造函数 real=r;imag=i;void display();/显示复数的值private:double real;double imag;,运算符重载,6,问题举例复数的运算,用“+”、“-”能够实现复数的加减运算吗？实现复数加减运算的方法 重载“+”、“-”运算符,运算符重载,7,运算符重载的实质,运算符重载是对已有的运算符赋予多重含义必要性C+中预定义的运算符其运算对象只能是基本数据类型，而不适用于用户自定义类型（如类）实现机制将指定的运算表达式转化为对运算符函数的调用，运算对象转化为运算符函数的实参。编译系统对重载运算符的选择，遵循函数重载的选择原则。,运算符重载,8,运算符重载,规则和限制,可以重载C+中除下列运算符外的所有运算符：.*:?:只能重载C+语言中已有的运算符，不可臆造新的。不改变原运算符的优先级和结合性。不能改变操作数个数。经重载的运算符，其操作数中至少应该有一个是自定义类型。,9,不能重载的运算符,表5.1C+中不允许重载的运算符,10,两种形式,重载为类成员函数。重载为非成员函数（通常为友元函数）。,运算符重载,11,运算符函数,声明形式函数类型 operator 运算符（形参）.operator是关键字，它与重载的运算符一起构成函数名。因函数名的特殊性，C+编译器可以将这类函数识别出来。重载为类成员函数时 参数个数=原操作数个数-1（后置+、-除外）重载为友元函数时 参数个数=原操作数个数，且至少应该有一个自定义类型的形参。,运算符重载,12,运算符成员函数的设计,双目运算符 B如果要重载 B 为类成员函数，使之能够实现表达式 oprd1 B oprd2，其中 oprd1 为A 类对象，则 B 应被重载为 A 类的成员函数，形参类型应该是 oprd2 所属的类型。经重载后，表达式 oprd1 B oprd2 相当于 oprd1.operator B(oprd2),运算符重载,13,运算符重载,例 8-1,将“+”、“-”运算重载为复数类的成员函数。规则:实部和虚部分别相加减。操作数:两个操作数都是复数类的对象。,#includeusing namespace std;class complex/复数类声明public:/外部接口complex(double r=0.0,double i=0.0)real=r;imag=i;/构造函数complex operator+(complex c2);/+重载为成员函数complex operator-(complex c2);/-重载为成员函数void display();/输出复数private:/私有数据成员double real;/复数实部double imag;/复数虚部;,14,complex complex:operator+(complex c2)/重载函数实现complex c;c.real=c2.real+real;c.imag=c2.imag+imag;return complex(c.real,c.imag);,15,complex complex:operator-(complex c2)/重载函数实现complex c;c.real=real-c2.real;c.imag=imag-c2.imag;return complex(c.real,c.imag);,16,void complex:display()cout(real,imag)endl;int main()/主函数complex c1(5,4),c2(2,10),c3;/声明复数类的对象coutc1=;c1.display();coutc2=;c2.display();c3=c1-c2;/使用重载运算符完成复数减法coutc3=c1-c2=;c3.display();c3=c1+c2;/使用重载运算符完成复数加法coutc3=c1+c2=;c3.display();,17,在做 c3=c1+c2时，C+编译器把表达式c1+c2解释为：c1.operator+(c2);,程序输出的结果为：c1=(5,4)c2=(2,10)c3=c1-c2=(3,-6)c3=c1+c2=(7,14),18,19,使用引用类型变量作为运算符重载函数的参数，可以提高复数类型运算的效率。复数与复数相加的Operator+成员函数的最终形式：Complex complex:operator+(const complex&c）这里采用complex对象的引用而不是对象本身，调用时不再重新分配内存建立一个复制的对象，函数效率会更高。而在引用形式参数类型说明前加const关键字，表示被引用的实参是不可改变的，如程序员不当心在函数体中重新赋值了被引用的实参，C+编译器会认为出错。采用引用为参数时，从理论上讲实参必须为左值，不能为表达式，如【例5.7】中c=c+d是正确的，但c=c+0.5是不允许的，0.5不是左值，但在这种情况下VC+允许。,20,在缺省的情况下，C+编译器为每个类生成一个缺省的赋值操作，用于同类的两个对象之间的相互赋值，缺省的语义是类成员逐个相互赋值。对复数类 complex 如果没有重载赋值运算符=，复数的赋值语义是：Complex,21,重载的运算符“+=”标准算法是：Complex,22,运算符成员函数的设计,前置单目运算符 U如果要重载 U 为类成员函数，使之能够实现表达式 U oprd，其中 oprd 为A类对象，则 U 应被重载为 A 类的成员函数，无形参。经重载后，表达式 U oprd 相当于 oprd.operator U(),运算符重载,23,运算符成员函数的设计,后置单目运算符+和-如果要重载+或-为类成员函数，使之能够实现表达式 oprd+或 oprd-，其中 oprd 为A类对象，则+或-应被重载为 A 类的成员函数，且具有一个 int 类型形参。经重载后，表达式 oprd+相当于 oprd.operator+(0),运算符重载,24,例8-2,运算符前置+和后置+重载为时钟类的成员函数。前置单目运算符，重载函数没有形参，对于后置单目运算符，重载函数需要有一个整型形参。操作数是时钟类的对象。实现时间增加1秒钟。,运算符重载,/8_2.cpp#includeusing namespace std;class Clock/时钟类声明 public:/外部接口 Clock(int NewH=0,int NewM=0,int NewS=0);void ShowTime();Clock,25,Clock,26,可以省去构造新的对象的资源和时间的消耗，提高效率。,返回值引用有什么好处，和不引用有什么区别？,*this具体表示什么？,它表示对象自身。就是在操作的这个对象。,/后置单目运算符重载Clock Clock:operator+(int)/注意形参表中的整型参数 Clock old=*this;+(*this);return old;,27,后置“+”中的参数int仅用作区分，并无实际意义，可以给一个变量名，也可以不给变量名。,/其它成员函数的实现略int main()Clock myClock(23,59,59);coutFirst time output:;myClock.ShowTime();coutShow myClock+:;(myClock+).ShowTime();coutShow+myClock:;(+myClock).ShowTime();,28,程序运行结果为：First time output:23:59:59Show myClock+:23:59:59Show+myClock:0:0:1,29,30,小结：,1.运算符重载函数的函数名必须为关键字Operator加一个合法的运算符。在调用该函数时，将右操作数作为函数的实参。2.当用类的成员函数实现运算符的重载时，运算符重载函数的参数（当为双目运算符时）为一个或（当为单目运算符时）没有。运算符的左操作数一定是对象，因为重载的运算符是该对象的成员函数，而右操作数是该函数的参数，其类型并无严格限制。C+不允许重载三目运算符。,31,3.单目运算符“+”和“-”存在前置与后置问题。前置“+”格式为：返回类型 类名:operator+()而后置“+”格式为：返回类型 类名:operator+(int)后置“+”中的参数int仅用作区分，并无实际意义，可以给一个变量名，也可以不给变量名。4.C+中只有极少数的运算符不允许重载，表5.1中列出了不允许重载的运算符。,32,非成员运算符函数的设计,如果需要重载一个运算符，使之能够用于操作某类对象的私有成员，可以此将运算符重载为该类的非成员（通常为友元）函数。函数的形参代表依自左至右次序排列的各操作数。后置单目运算符+和-的重载函数，形参列表中要增加一个int，但不必写形参名。,运算符重载,33,非成员运算符函数的设计,双目运算符 B重载后，表达式oprd1 B oprd2 等同于operator B(oprd1,oprd2)前置单目运算符 B重载后，表达式 B oprd 等同于operator B(oprd)后置单目运算符+和-重载后，表达式 oprd B 等同于operator B(oprd,0),运算符重载,34,例8-3,将+、-（双目）重载为复数类的友元函数。两个操作数都是复数类的对象。,运算符重载,#includeusing namespace std;class complex/复数类声明public:/外部接口complex(double r=0.0,double i=0.0)real=r;imag=i;/构造函数friend complex operator+(complex c1,complex c2);/运算符+重载为友元函数friend complex operator-(complex c1,complex c2);/运算符-重载为友元函数void display();/显示复数的值private:/私有数据成员double real;double imag;,35,complex operator+(complex c1,complex c2)/运算符重载友元函数实现 return complex(c2.real+c1.real,c2.imag+c1.imag);/注意友元不是成员函数，也不加friend/友元函数可以直接访问私有成员complex operator-(complex c1,complex c2)/运算符重载友元函数实现return complex(c1.real-c2.real,c1.imag-c2.imag);/其他函数和主函数同例8-1,36,37,友元函数重载运算符+，有三种形式。另两个的声明为：friend Complex operator+(double,Complex);friend Complex operator+(Complex,double);则无论是复数与复数相加，还是实数与复数相加（不论实数在前还是在后）都可以用该运算符三个重载函数之一。再进一步，如果使用友元函数friend complex operator+(complex c1,complexc2);无论是复数与复数相加，还是实数与复数相加（不论实数在前还是在后）都可以用该运算符重载函数。因为有定义的缺省的构造函数，实数会被强制转换为虚部为零的复数。d+c1被解释为operator+(complex(d),c1)。注意这里的两个参数是传值，在函数内是建立了两个复数对象，而把实参的值传进去，进行运算。参见下图。,38,在这里友元函数可以有两个参数，而对应的成员函数只有一个参数，所以友元函数的使用可以更灵活、更方便。使用引用类型变量作为运算符重载函数的参数，以提高复数类型运算的效率和可行性。Operator+友元函数的声明可改进为：friend Complex operator+(const Complex&c1,const Complex&c2)这里采用Complex对象的引用而不是对象本身，调用时不再重新分配内存建立一个复制的对象，函数效率会更高。加const，实参只读，可防止实参被修改。,友元函数perator+执行过程内存分配,39,单目运算符前“+”的成员函数重载方式如下：Complex Complex:operator+()return(+Real,+Image);采用成员函数方式重载与使用都很方便。但采用友元方式则必须使用引用，因为被施加“+”运算的是一个参数。友元函数重载后置“+”如下：friend Complex operator+(Complex 采用引用类型，后“+”是直接施加于实参。否则施加于拷贝，而实参不变。,40,静态绑定与动态绑定,绑定程序自身彼此关联的过程，确定程序中的操作调用与执行该操作的代码间的关系。静态绑定绑定过程出现在编译阶段，用对象名或者类名来限定要调用的函数。动态绑定绑定过程工作在程序运行时执行，在程序运行时才确定将要调用的函数。,#includeusing namespace std;class Point public:Point(double i,double j)x=i;y=j;double Area()const return 0.0;private:double x,y;class Rectangle:public Point public:Rectangle(double i,double j,double k,double l);double Area()const return w*h;private:double w,h;,静态绑定例,41,Rectangle:Rectangle(double i,double j,double k,double l):Point(i,j)w=k;h=l;void fun(Point 运行结果：Area=0,42,#includeusing namespace std;class Point public:Point(double i,double j)x=i;y=j;virtual double Area()const return 0.0;private:double x,y;class Rectangle:public Point public:Rectangle(double i,double j,double k,double l);virtual double Area()const return w*h;private:double w,h;/其他函数同上例,动态绑定例,43,void fun(Point 运行结果:Area=375,44,45,8.7 多态性与虚函数,多态性是面向对象程序设计的关键技术之一。若程序设计语言不支持多态性，不能称为面向对象的语言。利用多态性技术，可以调用同一个函数名的函数，实现完全不同的功能。,46,一、基本概念,首先，C+通过虚函数实现多态.无论发送消息的对象属于什么类，它们均发送具有同一形式的消息，对消息的处理方式可能随接手消息的对象而变的处理方式被称为多态性。在某个基类上建立起来的类的层次构造中，可以对任何一个派生类的对象中的同名过程进行调用，而被调用的过程提供的处理可以随其所属的类而变。虚函数首先是一种成员函数，它可以在该类的派生类中被重新定义并被赋予另外一种处理功能。,47,虚函数,虚函数是动态绑定的基础。是非静态的成员函数。在类的声明中，在函数原型之前写virtual。virtual 只用来说明类声明中的原型，不能用在函数实现时。具有继承性，基类中声明了虚函数，派生类中无论是否说明，同原型函数都自动为虚函数。本质：不是重载声明而是覆盖。调用方式：通过基类指针或引用，执行时会根据指针指向的对象的类，决定调用哪个函数。,虚 函 数,48,二 虚函数的定义,虚函数是一个类的成员函数，定义格式如下：virtual 返回类型 函数名（参数表）；关键字virtual指明该成员函数为虚函数。virtual仅用于类定义中，如虚函数在类外定义，不可加virtual。当某一个类的一个类成员函数被定义为虚函数，则由该类派生出来的所有派生类中，该函数始终保持虚函数的特征。当在派生类中重新定义虚函数（overriding a virtual function,亦译作超载或覆盖）时，不必加关键字virtual。但重新定义时不仅要同名，而且它的参数表和返回类型全部与基类中的虚函数一样，否则联编时出错。,49,一个类中将所有的成员函数尽可能地设置为虚函数总是有好处的，但必须注意以下几条：,1.派生类中定义虚函数必须与基类中的虚函数同名外，还必须同参数表，同返回类型。否则被认为是重载，而不是虚函数。如基类中返回基类指针，派生类中返回派生类指针是允许的，这是一个例外。2.只有类的成员函数才能说明为虚函数。这是因为虚函数仅适用于有继承关系的类对象。3.静态成员函数，是所有同一类对象共有，不受限于某个对象，不能作为虚函数。4.一个类对象的静态和动态类型是相同的，实现动态多态性时，必须使用基类类型的指针变量或引用，使该指针指向该基类的不同派生类的对象，并通过该指针指向虚函数，才能实现动态的多态性。5.内联函数每个对象一个拷贝，无映射关系，不能作为虚函数。,50,6.析构函数可定义为虚函数，构造函数不能定义虚函数，因为在构造函数时对象还没有完成实例化。在基类中及其派生类中都动态分配的内存空间时，必须把析构函数定义为虚函数，实现撤消对象时的多态性。7.函数执行速度要稍慢一些。为了实现多态性，每一个派生类中均要保存相应虚函数的入口地址表，函数的调用机制也是间接实现。所以多态性总是要付出一定代价，但通用性是一个更高的目标。8.如果定义放在类外，virtual只能加在函数声明前面，不能（再）加在函数定义前面。正确的定义必须不包括virtual。,根据赋值兼容规则可以用基类的指针指向派生类对象，如果由该指针撤销派生类对象，则必须将析构函数说明为虚函数，实现多态性，自动调用派生类析构函数。我们总是要求将类设计成通用的，无论其他程序员怎样调用都必须保证不出错，所以必须把析构函数定义为虚函数。在动态分配内存时所有C+的标准库函数都采用这种格式。,51,二、虚函数的定义与派生类中的重定义,class 类名 public:virtual 成员函数说明；class 类名：基类名 public:virtual 成员函数说明；,52,可以让成员函数操作一般化，用基类的指针指向不同的派生类的对象时，基类指针调用其虚成员函数，则会调用其真正指向对象的成员函数，而不是基类中定义的成员函数（只要派生类改写了该成员函数）。若不是虚函数，则不管基类指针指向的哪个派生类对象，调用时都 会调用基类中定义的那个函数。(第七章通用显示程序的幻想例子7-4),53,例 8-4,#include using namespace std;class B0/基类B0声明public:/外部接口virtual void display()/虚成员函数 coutB0:display()endl;class B1:public B0/公有派生 public:void display()coutB1:display()endl;class D1:public B1/公有派生 public:void display()coutD1:display()endl;,虚 函 数,void fun(B0*ptr)/普通函数 ptr-display();int main()/主函数B0 b0,*p;/声明基类对象和指针B1 b1;/声明派生类对象D1 d1;/声明派生类对象p=/调用派生类D1函数成员,运行结果：B0:display()B1:display()D1:display(),54,55,虚析构函数,何时需要虚析构函数？当你可能通过基类指针删除派生类对象时如果你打算允许其他人通过基类指针调用对象的析构函数（通过delete这样做是正常的），并且被析构的对象是有重要的析构函数的派生类的对象，就需要让基类的析构函数成为虚拟的。,虚 函 数,56,纯虚函数（pure virtual function）是指被标明为不具体实现的虚拟成员函数。它用于这样的情况：定义一个基类时，会遇到无法定义基类中虚函数的具体实现，其实现依赖于不同的派生类。定义纯虚函数的一般格式为：virtual 返回类型 函数名（参数表）=0；含有纯虚函数的基类是不能用来定义对象的。纯虚函数没有实现部分，不能产生对象，所以含有纯虚函数的类是抽象类。,定义纯虚函数必须注意：1 定义纯虚函数时，不能定义虚函数的实现部分。即使是函数体为空也不可以，函数体为空就可以执行，只是什么也不做就返回。而纯虚函数不能调用。2“=0”表明程序员将不定义该函数，函数声明是为派生类保留一个位置。“=0”本质上是将指向函数体的指针定为NULL。3 在派生类中必须有重新定义的纯虚函数的函数体，这样的派生类才能用来定义对象。,纯虚函数,57,抽象类,带有纯虚函数的类称为抽象类:class 类名 virtual 类型 函数名(参数表)=0;/纯虚函数.,纯虚函数与抽象类,58,抽象类,纯虚函数与抽象类,作用抽象类为抽象和设计的目的而声明，将有关的数据和行为组织在一个继承层次结构中，保证派生类具有要求的行为。对于暂时无法实现的函数，可以声明为纯虚函数，留给派生类去实现。注意抽象类只能作为基类来使用。不能声明抽象类的对象。构造函数不能是虚函数，析构函数可以是虚函数。,59,例 8-5,纯虚函数与抽象类,#include using namespace std;class B0/抽象基类B0声明 public:/外部接口virtual void display()=0;/纯虚函数成员;class B1:public B0/公有派生 public:void display()coutB1:display()endl;/虚成员函数;class D1:public B1/公有派生 public:void display()coutD1:display()endl;/虚成员函数;,void fun(B0*ptr)/普通函数ptr-display();int main()/主函数B0*p;/声明抽象基类指针B1 b1;/声明派生类对象D1 d1;/声明派生类对象p=/调用派生类D1函数成员,运行结果：B1:display()D1:display(),60,61,小结与复习建议,主要内容多态性的概念、运算符重载、虚函数、纯虚函数、抽象类达到的目标理解多态的概念，学会运用多态机制。实验任务实验七,