C++ 多态性 虚函数、抽象类(一)

注意:本文中代码均使用 Qt 开发编译环境

虚函数是动态联编的基础。虚函数必须是基类的非静态成员函数,其访问权限可以是protected或public,在基类的类定义中定义虚函数的一般形式:

virtual returnType functionName (param...) { 
        // some codes
}

我们知道,根据类型兼容规则,可以使用派生类的对象代替基类对象。如果用基类类型的指针指向派生类对象,就可以通过这个指针来访问该对象,问题是访问到的只是从基类继承来的同名成员。解决这一问题的办法是:如果需要通过基类的指针指向派生类的对象,并访问某个与基类同名的成员,那么首先在基类中将这个同名函数说明为虚函数。这样,通过基类类型的指针,就可以使属于不同派生类的不同对象产生不同的行为,从而实现了运行过程的多态。

动态联编规定,只能通过指向基类的指针或基类对象的引用来调用虚函数,其格式为:

ptrToBaseClass->virtualFunctionName(param...);

quoteToBaseClass.virtualFunctionName(param...);

虚函数是C++多态的一种表现
  
例如:子类继承了父类的一个函数(方法),而我们把父类的指针指向子类,则必须把父类的该函数(方法)设为virtual(虚函数)。

使用虚函数,我们可以灵活的进行动态联编,当然是以一定的开销为代价。

如果父类的函数(方法)根本没有必要或者无法实现,完全要依赖子类去实现的话,可以把此函数(方法)设为:

virtual returnType functionName(params) = 0;

我们把这样的函数(方法)称为纯虚函数。而如果一个类包含了纯虚函数,我们称此类为抽象类

虚函数示例:

#include <QCoreApplication>
#include <QDebug>

class B{
public:
    virtual void display(){ qDebug() << "B::display()"; }
};

class C: public B{
public:
    void display(){ qDebug() << "C::display()"; }
};

class D: public C{
public:
    void display(){ qDebug() << "D::display()"; }
};

void fun(B *ptr){
    ptr->display();
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    B b,*p;
    C c;
    D d;

    p = &b; fun(p);
    p = &c; fun(p);
    p = &d; fun(p);

    return a.exec();
}

运行输出:

B::display()
C::display()
D::display()

在本例子中,派生类并没有显式给出虚函数声明,这时系统就会遵循以下规则来判断派生类的一个函数成员是不是虚函数:

(1)该函数是否与基类的虚函数有相同的名称;
(2)该函数是否与基类的虚函数有相同的参数个数及相同的对应参数类型;
(3)该函数是否与基类的虚函数有相同的返回值或者满足类型兼容规则的指针、引用型的返回值。

如果从名称、参数以及返回值三个方面检查之后,派生类的函数满足了上述条件,就会自动确定为虚函数。这时,派生类的虚函数就会覆盖基类的虚函数。不仅如此,派生类中的虚函数还会隐藏基类中同名函数的所有其他重载形式。

当基类的构造函数调用虚函数时,不会调用派生类的虚函数。这是因为基类被构造时,对象还不是一个派生类对象。同样,当基类被析构时,对象已经不再是一个派生类对象了。所以基类此时调用的是基类的虚函数。

只有虚函数是动态联编的,如果派生类需要修改基类的行为(即重写与基类函数同名的函数),就应该在基类中将相应的函数声明为虚函数。而基类中声明的非虚函数,通常代表那些不希望被派生类改变的功能,也是不能实现多态的。因此一般不要重写继承来的非虚函数(虽然语法上并没有强行限制)。

在重写继承来的虚函数时,如果函数有默认形参值,千万不要重新定义不同的值。原因是:虽然虚函数是动态联编的,但默认形参值是静态绑定的。也就是说通过一个指向派生类对象的基类指针,可以访问到派生类的虚函数,但默认形参值却只能来自基类的定义。

实现动态联编需要三个条件:
1、 必须把动态联编的行为定义为类的虚函数。
2、 类之间存在子类型关系,一般表现为一个类从另一个类公有派生而来。
3、 必须先使用基类指针指向子类型的对象,然后直接或者间接使用基类指针调用虚函数。

定义虚函数的限制
(1)非类的成员函数不能定义为虚函数,类的成员函数中静态成员函数和构造函数也不能定义为虚函数,但可以将析构函数定义为虚函数。实际上,优秀的程序员常常把基类的析构函数定义为虚函数。因为,将基类的析构函数定义为虚函数后,当利用delete删除一个指向派生类定义的对象指针时,系统会调用相应的类的析构函数。而不将析构函数定义为虚函数时,只调用基类的析构函数。

(2)只需要在声明函数的类体中使用关键字“virtual”将函数声明为虚函数,而定义函数时不需要使用关键字“virtual”。

(3)当将基类中的某一成员函数声明为虚函数后,派生类中的同名函数自动成为虚函数。

(4)如果声明了某个成员函数为虚函数,则在该类中不能出现和这个成员函数同名并且返回值、参数个数、类型都相同的非虚函数。在以该类为基类的派生类中,也不能出现这种同名函数。

虚函数联系到多态,多态联系到继承。所以本文中都是在继承层次上做文章。没了继承,什么都没得谈。

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