虚基类与虚函数[稻谷书苑]

1、 5.2.2 虚基类 1.虚基类的概念 在C+语言中，一个类不能被多次说明为一个派生 类的直接基类，但可以不止一次地成为间接基类。这 就导致了一些问题。为了方便 说明，先介绍多继承的 “类格”表示法。 派生类及其基类可用一有向无环图(DAG)表示，其 中的箭头表示“由派生而来”。类的DAG常称为一个 “类格”。复杂类格画出来通常更容易理解。例如： 1教学运用 例 5-19 class L public: int next; ; class A : public L ; class B : public L ; class C : public A, public B public : void

2、 f() next=0; ; C类自己数据成员 B对象数据成员 L对象数据成员 A对象数据成员 L对象数据成员 C的对象 L A L B C 这时，next有两个赋值语 句next=0; 具有二义性，它是 将A:next置为零，还是将 B:next置为零，或者将两者 都置为0，需要在函数f()中被 显式的说明. 2教学运用 如果希望间接基类L与其派生类的关系是如下图 C+语言提供了这种描述手段。它将L说明为A和B的虚基类。 L AB C 3教学运用 当在多条继承路径上有一个公共的基类，在这些 路径中的某几条路经汇合处，这个公共基类就会产生 多个实例。 如果只想保存这个基类的一个实例，可以将这个

3、 公共基类说明为虚拟基类或称虚基类。 它仅是简单地将关键字virtual加到基类的描述上， 例如改写上述例子为例5-20 4教学运用 例 5-20 class L public: int next; ; class A : virtual public L ; class B : virtual public L ; class C : public A, public B public : void f() next=0; ; 这时C类对象中只有 L的一个复制，因而函 数C:f()中的语句 next=0; 没有二义性。 对于类C而言，L类 是B类的虚基类，而是 类A的真基类；但对于 类B而言

4、，L类还是B 类的真基类。 例 5-21 或class A : public virtual L 或class A : public virtual 5教学运用 class L public: int next; ; class A : virtual public L ; class B : virtual public L ; class C : public B , public A public : void f() next=0; ; 此例中，对于类C而言， L类是A类的虚基类， 而是类B的真基类。 派生时，A,B的顺序变了 6教学运用 一个派生类的对象的地址可以直接赋给虚基类的指针

5、， 例如: C obj; L * ptr= 这时不需要强制类型转换，并且，一个虚基类的引用 可以引用一个派生类的对象，例如： C obj2; L 反之则不行，无论在强制类型转换中指定什么路径， 一个虚基类的指针或引用不能转换为派生类的指针或 引用。例如： C * P=(C*)(A*)ptr; 将产生编译错误。 7教学运用 2. 虚基类对象的初始化 虚基类的初始化与多继承的初始化在语法上是一样 的，但隐含的构造函数的调用次序有点差别。 虚基类构造函数的调用次序是这样规定的： 1. 虚基类的构造函数在非虚基类之前调用。 2. 若同一层次中包含多个虚基类，虚基类构造函数 按它们说明的次序调用。 3.

6、 若虚基类由非虚基类派生，则遵守先调用基类构 造函数，再调用派生类构造函数的规则。 8教学运用 例如 ： class X : public Y, virtual public Z X one; 将产生如下调用次序： Z() Y() X() 这里Z是X的虚基类，故先调用Z的构造函数，再调 用Y的构造函数，最后才调用派生类X自己的构造函数。 例 5-22 9教学运用 # include iostream.h class base public: base()coutBaseendl; ; class base2 public: base2()coutBase2endl; ; class level

7、1 : public base2, virtual public base public: level1()coutlevel1endl; ; class level2 : public base2, virtual public base public: level2()coutlevel2endl; ; class toplevel : public level1, virtual public level2 public: toplevel()couttoplevelendl; base2 base base2 level1 level2 toplevel toplevel view;

8、void main() 当建立对象view时， 将产生如下调用次序： level2() level1() toplevel() 而level2()要求： base() base2() level2() level1()要求 base2() level1() toplevel()要求 toplevel() 所以，构造函数的调 用顺序为： base() base2() level2() base2() level1() toplevel() 10教学运用 例5-23 class base ; class base2 ; class level1 : public base2, virtual pu

9、blic base ; class level2 : public base2, virtual public base ; class toplevel : virtual public level1, public level2 ; toplevel view; base2 base base2 level1 level2 toplevel level1(): base() base2() level1() level2(): base2() level2() toplevel(): toplevel() 当建立对象view 时，将产生如下 调用次序: 此例中，对于toplevel的而言，

10、 base是level2的虚基类 11教学运用 例 5-24 class B ; class X : virtual public B ; class Y : virtual public B ; class Z : public B ; class AA : public X, public Y, public Z ; B B X Y AA Z 这里AA具有两个B类的子对象：Z的B和x与Y共享的虚拟的B。 12教学运用 class V public : int V; ; class A public : int a; class B : public A, virtual public V

11、; class C : public A, Virtual public V ; class D : public B, public C public : void f(); ; void D:f( ) v+; a+; 例 5-25 虚基类和非 虚基类的不同。 A VA BC D 在D中仅仅 一个v 错误，具有 二义性，在 D中有两个a 调用次序: B( ): V( ) A( ) B( ) C( ): A( ) C( ) D( ): D( ) 13教学运用 5.3 虚函数与多态性 对于普通成员函数的重载，可表达为下面的方式: 1) 在同一个类中重载 2) 在不同类中重载 3) 基类的成员函数

12、在派生类中重载 因此，重载函数的访问是在编译时区分的，有以下三种方 法: 14教学运用 1.根据参数的特征加以区分，例如: Show(int , char)与Show(char *, float) 不是同一函数，编译能区分。 2. 使用“:”加以区分，例如： Circle : Show有别于Point : Show 3. 根据类对象加以区分。 ACircle.Show() 调用Circle:Show() APoint.Show() 调用Point : Show() 这里ACircle和APoint分别是Circle和Point的对象。 15教学运用 例 5-26 #include class

13、A public: void fun()cout“In A”endl; ; class B:public A public: void fun()cout“In B”endl; ; class C:public B public: void fun()cout“In C”fun(); 派生类对象 B:fun A:fun C:fun 16教学运用 5.3.1 基类对象的指针指向派生类对象 指向基类和派生类的指针变量是相关的，假设B_class是基 类，D_class是从B_class公有派生出来的派生类，任何被说 明为指向B_class的指针也可以指向D_class。例如: 利用p,可以访问从基

14、类B_class继承的成员，但D_class自己 定义的成员，p不能访问。例如：例5-27 指向类型B_class的对象的指针 类型B_class的对象 类型D_class的对象 p指向类型D_class的对象，它是 B_class 的派生类 p指向类型B_class的对象 B_class *p; B_class B_ob; D_class D_ob; p= p= 派生类对象 派生类成员 基类成员 17教学运用 #include #include class B_class char name80; public : void put_name(char * s) strcpy(name, s

15、); void show_name( ) coutnameput_name(Thomas Edison); p= p-put_name(Albert Einstein); B_ob.show_name( ); D_ob.show_name( ); dp= dp-put_phone(555555_1234); dp-show_phone( ); p-show_pone( ); (D_class*)p)-show_phone ( ); p-show_phone( ); 错误错误 该程序输出: Thomas Edison Albert Einstein 555555_1234 555555_1234

16、 class D_class: public B_class char phone_num80; public: void put_phone(char * num) strcpy(phone_num, num); void show_phone( ) coutphone_numshow_phone( ); 19教学运用 5.3.2 虚函数 例 5-28 #include class Base protected: int x; public: Base(int a) x=a; void who() cout“base ”x“n”; ; class Second_d: public Base

17、public: Second_d (int a):Base(a) void who() cout“Second derivation ”x“n”; ; class First_d: public Base public: First_d (int a):Base(a) void who() cout“First derivation ”xwho(); p= p-who(); p= p-who(); first_obj.who(); second_obj.who(); 该程序输出: base 1 base 2 base 3 First derivation 2 Second derivation

18、 3 second_obj x 3 Base:who() Second_d:who() first_obj x 2 Base:who() first_d:who() base_obj x 1 Base:who() p p-who() 指向基类的指针p,不管是指向基类的对象base_obj还 是指向派生的对象first_obj和second_obj, p-who()调用 的都是基类定义的 who()的版本.必须显式地用 first_obj.who(); 和 second_obj.who(); 才能调用类first_d和类second_d中定义的who()的版本。 其本质的原因在于普通成员函数的调

19、用是在编译时静态 区分。 21教学运用 如果随着p所指向的对象的不同pwho()能调用不同 类中who()版本，这样就可以用一个界面p-who()访问多 个实现版本:Base中的who(), First_d 中的 who(),以及 Second_d中的who(),这在编程时非常有用。 实际上，这表达了一种动态的性质，函数调用p-who() 依赖于运行时p所指向的对象。虚函数提供的就是这种解 释机制。如果在base中将成员函数who()说明为虚函数， 则修改上述程序为例5-29 虚函数是在基类中被冠以virtual的成员函数，它提供了 一种接口界面。虚函数可以在一个或多个派生类中被重 新定义，但

20、要求在派生类中 重新定义时，虚函数的函 数原型，包括返回类型，函数名，参数个数，参数类型 的顺序，必须完全相同。 22教学运用 class First_d : public Base public: First_d(int a ):Base(a) void who() “First derivation “x“n”; ; #include class Base protected: int x; public: Base(int a) x=a; virtual void who() cout“base ”x“n”; ; class Second_d : public Base public:

21、Second_d(int a ):Base(a) void who()“Second derivation “xwho(); p= p-who(); p= p-who(); first_obj.who(); second_obj.who(); 程序输出： base 1 First derivation 2 Second derivation 3 First derivation 2 Second derivation 3 23教学运用 second_obj x 3 Base:who() Second_d:who() first_obj x 2 Base:who() first_d:who()

22、p base_obj x 1 virtual Base:who() 基类的虚函数who()定 义了一种接口，在派 生类中此接口定义了 不同的实现版本，由 于虚函数的解释机制， 实现了“单界面，多 实现版本”的思想。 这种在运行时刻将函 数界面与函数的不同 实现版本进行匹配的 过程，称为晚期匹配， 也称为运行时的多态 性。 p-who() 24教学运用 基类函数f具有虚特性的条件是： 1) 在基类中，将该函数说明为virtual函数。 2)定义基类的公有派生类。 3) 在基类的公有派生类中原型一致地重载该虚函 数。 4) 定义指向基类的指针变量，它指向基类的公有 派生类的对象。 例 5-30 2

23、5教学运用 void main( ) derived d; base * bp= bp-vf1( ); bp-vf2( ); bp-f( ); class base public: virtual void vf1( ); virtual void vf2( ); virtual void vf3( ); void f( ); ; class derived : public base public : void vf1( ); void vf2(int); char vf3( ); void f( ); ； 错误，仅返回类型不同 具有虚特性 一般函数重载，参数不同，虚特性丢失 一般的函数重载

24、，非虚函数的重载 26教学运用 例 5-31 #include class figure protected: double x, y; public: void set_dim(double i, double j=0) x=i; y=j; virtual void show_area() cout“No area computation defined”; cout“for this class.n”; ; class triangle : public figure public: void show_area() cout“Triangle with high”; coutx“and

25、base”y; cout“ has an area of”; coutx*0.5*y“n”; ; class square : public figure public: void show_area() cout“Square with dimension”; coutx“*” y; cout“has an area of”; coutx * y“n”; ； class circle : public figure public: void show_area() cout“Circle with radius” ; coutx; cout“has an aera of” ; coutset

26、_dim(10.0, 5.0); p-show_area(); p= p-set_dim(10.0, 5.0); p-show_area(); p= p-set_dim(9.0); p-show_area()； 程序输出: Triangle with high 10 and base 5 has an area of 25.0 Square with dimension 10*5 has an area of 50.0 Circle with radius 9 has an area of 254.34 X y Figure:show_area() triangle :show_area()

27、X y Figure:show_area() square :show_area() X y Figure:show_area() circle :show_area() p 28教学运用 2.可以使用成员名限定可以强制使用静态联编 例 5-32 #include class A public: virtual void fun() cout“In A”end1; ; class B:public A public: void fun() cout“In B”end1; ; class C:public B public: void fun() cout“In C”fun(); B Bref.

28、fun(); Bref.B:fun(); 调用B:fun() 不是C:fun() 使用成员名限定可以强制 使用静态联编 29教学运用 3.在成员函数中调用虚函数 在一个基类或派生类的成员函数中，可以直 接调用等级中的虚函数。此时，需要根据成员 函数中this指针和它所指向的对象来判断调 用 的是哪个函数。 例 5-33 30教学运用 #include class A public : virtual void fun1() cout“A1-2”endl; fun2(); virtual void fun2() cout“A2-3”endl; fun3(); virtual void fun3(

29、) cout“A3-4”endl; fun4(); virtual void fun4() cout“A4-5”endl; fun5(); virtual void fun5() cout“A end”endl; ; class B:public A public: void fun1()cout“B 1-2”; fun2(); void fun2()cout“B 2-3”; fun3(); void fun3()cout“B 3-4”; fun4(); void fun4()cout“B 4-5”; fun5(); void fun5()cout“B end” fun1(); Apointe

30、r2- fun1(); delete Apointer1; delete Apointer1; 程序输出 ： A 1-2 A 2-3 A 3-4 A 4-5 A end B 1-2 B 2-3 B 3-4 B 4-5 B end fun2( )相当于fun2(const A *this ) this即为Apointer2，因此仍然调用 所指向对象中的函数 31教学运用 例 5-34 #include class A public : void fun1()cout“A1-2”endl; fun2(); virtual void fun2()cout“A2-3”endl; fun3(); vir

31、tual void fun3()cout“A3-4”endl;fun4(); virtual void fun4()cout“A4-5”endl;fun5(); virtual void fun5()cout“A end”endl; ; class B:public A public: void fun1()cout“B 1-2”endl; fun2(); void fun2()cout“B 2-3”endl; fun3(); void fun3()cout“B 3-4”endl; fun4(); void fun4()cout“B 4-5”endl; fun5(); void fun5()c

32、out“B end”fun1(); delete Apointer; 程序输出： A 1-2 B 2-3 B 3-4 B 4-5 B end fun1( )不是虚函数,故基类的指针变 量，指向派生类时只能访问基类 中定义的成员。 fun2，fun3,fun4,fun5是虚函数,故基 类的指针变量，指向派生类时访 问的是派生类中定义的成员。 32教学运用 例 5-35 #include class A public : virtual void fun1()cout“A1-2”endl; fun2(); virtual void fun2()cout“A2-3”endl; fun3(); vir

33、tual void fun3()cout“A3-4”endl; fun4(); virtual void fun4()cout“A4-5”endl; fun5(); virtual void fun5()cout“A end”endl; class B:public A public: void fun3()cout“B 3-4”endl; fun4(); void fun4()cout“B 4-5”fun1(); delete Apointer; 程序输出： A 1-2 A 2-3 B 3-4 B 4-5 A end 基类虽然将fun1,fun2定义为虚函数， 但在派生类中并没有原型一致的

34、重载它们，所以要调用基类中的 函数。 33教学运用 4 . 在构造函数和析构函数中 调用虚函数 在构造函数和析构函数中调用虚函数时，采用静 态联编。即它们所调用的虚函数是自己的类或者它的 基类中的虚函数，但不是任何在派生类中定义的虚函 数。 例 5-36 34教学运用 #include class A public: A()cout“A is Creating”endl; virtual void fun1()cout“A fun1”endl; virtual void fun2()cout“A fun2”endl; A()cout“A is Destroy”endl; ; class B:p

35、ublic A public: B()cout“B is Creating”endl; fun1(); void fun()fun1(); B()cout“B is destroy”end1; fun2(); ; class C:public B public: C() cout“C is Creating”endl; void fun1()coutC fun1”endl; virtual void fun2()coutC fun2”endl; C()cout“C is Destroy”endl; fun2(); ; void main( ) C Cobj; Cobj.fun(); 程序输出：

36、 A is Creating B is Creating A fun1 C is Creating C fun1 C is destroy C fun2 B is destroy A fun2 A is destroy 在构造函数和析构函数中调用虚函数时，是自己 的类或者它的基类中的虚函数，但不是任何在派生类 中定义的虚函数。 35教学运用 5 . 析构函数可以定义为虚函数 构造函数不能为虚函数，而析构函数可以定义 为虚函数。 若析构函数为虚函数，那么当使用delete释放 基类指针指向的派生类对象时，先调用派生类的析 构函数，再调用基类的析构函数。 36教学运用 class Deriver:

37、 public Base int d; public: Deriver(int num1,int num2):Base(num1) d=num2;cout“Deriver createn”; Deriver() cout“Deriver destoryn”; ; 例 5-37 #include class Base int b; public: Base(int num) b=num;cout“Base createn”; Base() cout“Base destroyn”; ; void main() Base * pb1,*pb2; pb1=new Base(1); pb2=new De

38、river(2,3); delete pb1; delete pb2; cout“*n”; Base Bobj(4); Deriver Dobj(5,6); 程序输出: Base create Base create Deriver create Base destroy Base destory * Base create Base create Deriver create Deriver destroy Base destroy Base destory 基类对象指向派生类对象时， 释放时不调用派生类的析构 函数 37教学运用 例 5-38 #include class Base int

39、 b; public: Base(int num) b=num;cout“Base createn”; virtual Base() cout“Base destroyn”; class Deriver:public Base int d; public: Deriver(int num1,int num2):Base(num1) d=num2;cout“Deriver createn”; Deriver() coutf( ); /调用 A2:f( ) pa4-f( ); /调用 A2:f( ) 继承路径如图: A1 A2 A3 A4 A1() A2() A3() A4() 创建A4的对象时，

40、构造函数的调用次序为: 40教学运用 由于A2是A1的派生类，A2中重新定义的函数f覆盖了类A 中定义的函数f,而且A4和A2都将A1说明为虚基类，因此， pa4-f( )调用的是 A2 : f( ) 虚基类也能应用这个规则。 有人可能会想，A1:f( )离A4更近，因为A1是A4的直接基类， 而A2不是。pa4-f()应该调用A1:f( ),而不是调用A2:f( )。情况并 非如此，由DAG图可见，根据继承路径pa4-f( )应有两种调用 选择: A2:f( ); 和 A1:f( ) 41教学运用 5.3.3 纯虚函数及抽象类 基类表示抽象的概念，如figure是一个基类表示有型的 东西，可

41、以派生出封闭图形和非封闭图形两类。 Shape体现了一个抽象的概念，在figure中定义一个求 面积的函数显然是无意义的，但可以将其声明为一个 虚函数，提供一个派生的公共界面，并由各派生类提 供求面积的各自版本。因此基类的有些虚函数没有定 义是很正常的，但是要求派生类必须重新定义这些虚 函数。 为此 C+引入了纯虚函数的概念。 42教学运用 纯虚函数是一个在基类中说明的虚函数它在基类 中没有定义，要求任何派生类必须定义自己的版本。 纯虚函数具有以下的形式： virtual type func_name(参数表)0； 在构造函数和析构函数中调用虚函数使用静态编联， 因此在这两个函数中不能调用纯虚

42、函数。 但其它函数可以调用纯虚函数。 43教学运用 如果一个类至少有一个纯虚函数，就称这个 类为抽象类。 抽象类可以定义一种接口，由派生类提供各 种实现。 抽象类只能用作其它类的基类. 可以用作声明抽象类的指针和引用。 不能创建对象。 不能用作参数 不能用作函数返回类型或显式转换的类型。 44教学运用 例 5-40 class point ; class shape point center; public: point where( ) return center; void move( point p) center=p; draw( ); virtual void rotate(int)=0; virtual void draw( )=0; ; shape x; shape * p; shape fun( ); void g(shape); x= shape(23); shape 错误，抽象类不能建 立对象 可以声明抽象类的指 针 错误，抽象类不能 作为返回类型 错误，抽象类 不能作为参数 类型 可以声明抽象类的引 用 不能用作显式类型 转换 45教学运用 如果派生类没有原型一致地重载该纯虚函数。 从基类继承来的纯虚函数，在派生类中仍是纯虚函数。 例如: cl