C++的多态(polymorphism)是通过虚函数来实现的。想象一下我们定义一个基类:动物。在基类中,我们给了动物不同的属性和行为。我们可以继承出各种具体的动物,并且继承基类中的属性和行为。但是,特殊的情况是,不同的继承类中,具体的行为是不一样的。由此,在基类中运用虚函数,我们定义一个抽象的行为,行为的实现方式在基类中可以实现,也可以不实现(纯虚函数),在继承类中,需要对抽象的行为具体化,也就是必须给实现方式。

举例,我们看以下这段代码:

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#include <iostream> 
using namespace std;

class Shape {
protected:
int width, height;
public:
Shape( int a=0, int b=0) {
width = a;
height = b;
}
int area() {
cout << "Parent class area :" <<endl;
return 0;
}
};
class Rectangle: public Shape{
public:
Rectangle( int a=0, int b=0):Shape(a, b) { }
int area () {
cout << "Rectangle class area :" <<endl;
return (width * height);
}
};
class Triangle: public Shape{
public:
Triangle( int a=0, int b=0):Shape(a, b) { }
int area () {
cout << "Triangle class area :" <<endl;
return (width * height / 2);
}
};
// 程序的主函数
int main( ) {
Shape *shape;
Rectangle rec(10,7);
Triangle tri(10,5);

shape = &rec; // 存储矩形的地址
shape->area(); // 调用矩形的求面积函数 area

shape = &tri; // 存储三角形的地址
shape->area(); // 调用三角形的求面积函数 area
return 0;
}

输出:

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Parent class area
Parent class area

导致错误输出的原因是,调用函数 area() 被编译器设置为基类中的版本,这就是所谓的静态多态,或静态链接 (函数调用在程序执行前就准备好了)。有时候这也被称为早绑定,因为 area() 函数在程序编译期间就已经设置好了。

但现在,让我们对程序稍作修改,在 Shape 类中,area() 的声明前放置关键字 virtual,如下所示:

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class Shape {
protected:
int width, height;
public:
Shape( int a=0, int b=0) {
width = a;
height = b;
}
virtual int area() {
cout << "Parent class area :" <<endl;
return 0;
}
};

输出:

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Rectangle class area
Triangle class area

此时,编译器看的是指针的内容,而不是它的类型。因此,由于 tri 和 rec 类的对象的地址存储在 *shape 中,所以会调用各自的 area() 函数。

每个子类都有一个函数 area() 的独立实现。这就是多态的一般使用方式。有了多态,您可以有多个不同的类,都带有同一个名称但具有不同实现的函数,函数的参数甚至可以是相同的。

虚函数

虚函数 是在基类中使用关键字 virtual 声明的函数。在派生类中重新定义基类中定义的虚函数时,会告诉编译器不要静态链接到该函数。

它虚就虚在所谓“推迟联编”或者“动态联编”上,一个类函数的调用并不是在编译时刻被确定的,而是在运行时刻被确定的。由于编写代码的时候并不能确定被调用的是基类的函数还是哪个派生类的函数,所以被成为“虚”函数。

我们想要的是在程序中任意点可以根据所调用的对象类型来选择调用的函数,这种操作被称为动态链接,或后期绑定。

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class A   {  
public:
virtual void foo() {
cout << "A::foo() is called" << endl;
}
};

class B: public A {
public:
void foo() {
cout << "B::foo() is called" << endl;
}
};
int main(void) {
A *a = new B();
a->foo(); // 在这里,a虽然是指向A的指针,但是被调用的函数(foo)却是B的!
return 0;
}

纯虚函数

您可能想要在基类中定义虚函数,以便在派生类中重新定义该函数更好地适用于对象,但是您在基类中又不能对虚函数给出有意义的实现,这个时候就会用到纯虚函数。

我们可以把基类中的虚函数 area() 改写如下:

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class Shape {
protected:
int width, height;
public:
Shape( int a=0, int b=0) {
width = a;
height = b;
}
// pure virtual function
virtual int area() = 0;
};

纯虚函数是在基类中声明的虚函数,它在基类中没有定义,但要求***任何派生类都要定义自己的实现方法***。在基类中实现纯虚函数的方法是在函数原型后加 “=0”
 virtual void funtion1() = 0

为什么需要虚函数?

在很多情况下,基类本身生成对象是不合情理的。例如,动物作为一个基类可以派生出老虎、孔雀等子类,但动物本身生成对象明显不合常理。

为了解决上述问题,引入了纯虚函数的概念,将函数定义为纯虚函数(方法:virtual ReturnType Function()= 0;),则编译器要求在派生类中必须予以重写以实现多态性。同时含有纯虚拟函数的类称为抽象类,它不能生成对象。这样就很好地解决了上述两个问题。

声明了纯虚函数的类是一个抽象类。所以,用户不能创建类的实例,只能创建它的派生类的实例。

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class A  {  
public:
virtual void foo(string s ) = 0; // 纯虚函数
};
class B:public A {
public:
void foo(string s) {
cout << "B::foo() is called" << endl;
}
};

纯虚函数的意义,让所有的类对象(主要是派生类对象)都可以执行纯虚函数的动作,但类无法为纯虚函数提供一个合理的缺省实现。所以类纯虚函数的声明就是在告诉子类的设计者,“你必须提供一个纯虚函数的实现,但我不知道你会怎样实现它”。

抽象类

抽象类是一种特殊的类,它是为了抽象和设计的目的为建立的,它处于继承层次结构的较上层。
(1)抽象类的定义: 称带有纯虚函数的类为抽象类。
(2)抽象类的作用:
抽象类的主要作用是将有关的操作作为结果接口组织在一个继承层次结构中,由它来为派生类提供一个公共的根,派生类将具体实现在其基类中作为接口的操作。所以派生类实际上刻画了一组子类的操作接口的通用语义,这些语义也传给子类,子类可以具体实现这些语义,也可以再将这些语义传给自己的子类。
(3)使用抽象类时注意:

  • 抽象类只能作为基类来使用,其纯虚函数的实现由派生类给出。如果派生类中没有重新定义纯虚函数,而只是继承基类的纯虚函数,则这个派生类仍然还是一个抽象类。如果派生类中给出了基类纯虚函数的实现,则该派生类就不再是抽象类了,它是一个可以建立对象的具体的类。
  • 抽象类是不能定义对象的。