第11章 多态性

第十一章多态性10.1概述多态性是面向对象程序设计的三大基本特性（封装、继承、多态）之一。

对于多态性各种解释。

如：消息指对类成员函数的调用，而多态性的是指一种消息被不同类型的对象接收时会导致不同的的行为实现。

也有将多态性解释为多种形态。

以及多态性是指一个标识符具有多种状态，而状态指该标识符被使用时可以有不同的结合方式或可以产生不同的调用。

从程序设计最一般的角度考虑：程序设计最基本的任务之一是要解决程序正文中的符号与内部存储之间的映射关系，即如何将程序空间的正文符号通过编译或解释映射成为代码空间的存储或操作，而内部存储的描述一般用该存储区域的起始地址来标识。

传统的程序设计语言，主要指面向过程的程序设计语言，如C语言，在处理程序正文标识符与机器代码之间的映射时采用的是一对一的映射。

如：int x=1,*p=&x;将程序正文中的标识符x与内存中的一个整型单元联系到一起，并且将初值1存放到该内存单元。

而*p=&x则将程序正文中的标识符p与内存中的一个存放整型变量的地址的单元联系到一起，并且取出变量x的地址值，再将其存放到由整型指针p标识的地址单元。

在这里，x与其对应的整型单元之间以及整型指针p与其标识的地址单元之间的映射关系都是一对一的映射。

又例如：int max(int x,int y); int (*pf)(int,int)=max;max函数定义如下：int max(int x,int y){ return x>y?x:y; }此处程序正文中的标识符max标识的是函数max在内存一段代码的起始地址。

pf是一个函数指针，pf也标识内存中的一个存放地址的单元，与p不同的是该单元只能存放有两个整型形参且返回整型值的函数的地址。

后面一个说明中取出函数max的起始地址并将其存放到由函数指针pf所标识的地址单元。

建立了标识符pf与内存一段代码之间的映射关系，这种映射关系也是一一的。

但是，在面向对象的程序设计语言中，如C++，程序正文标识符与机器代码之间使用一对一映射的约束被突破。

多个程序正文标识符可以映射到同一内存单元或存储区域，形成程序空间到代码空间的多对一映射。

记该映射为F。

F最有代表性的例证就是引用机制的引入，通过声明引用，可以使程序正文中的多个标识符标识同一内存单元。

这个在介绍引用时已经讨论过。

另一方面，C++也允许代码空间到程序空间的多对一映射，或程序空间到代码空间的一对多映射。

记该映射为G。

在C++中，映射G的就代表了多态。

G的实现方法就是多态性的体现。

例如考虑标识符fun与函数调用操作符的组合。

有：int fun(); int fun(int ); int fun(char ); … int fun(int,…,int );其一般形式是：返回类型 fun(形参列表);如果形参列表中形参个数有N种不同的表示，形参类型有M种不同的表示，则可以构造出用fun命名的N⨯M个不同的函数，并且它们都是可重载的。

每一个函数在内存中占用一块存储，N⨯M个不同的函数在内存中占用N⨯M块不同的存储。

但是它们都由标识符fun 标识。

因此，通过重载，实现了程序空间一个标识符fun到代码空间N⨯M个不同的函数的N⨯M块不同的存储的一对多映射。

所以重载是映射G或多态性的表现形式之一，因此也被称为重载多态。

反映多态性的映射G的另一种表现形式是允许程序正文中的一个标识符one_id标识多个不同类型的存储D i，这种标识是通过程序运行期间将标识每个D i的标识符id i与标识符one_id结合实现的。

使得程序正文中的一个标识符one_id能够标识内存中多个由标识符id i标识的存储D i，从而实现one_id与存储D i之间的一对多映射，使one_id具有多态性特征。

在程序运行期间建立这种映射关系的过程称为动态束定（也称为动态联编或动态绑定）。

这种多态性往往称为类型多态，具体体现在类型强制和子类型（类型适应）。

子类型可以用于构造多态指针、多态引用。

当函数的参数构成子类型时，表现出的多态性称为参数多态。

通过参数多态可以构造多态程序，使得一个函数可以为多种类型的对象共享。

即：当算法相同，但处理对象的类型不同时，能够用一个实现该算法的程序来处理各种不同类型的对象。

本章后面将会指出：通过公有继承，可以使派生类成为基类的子类型。

从而使原本作用于基类对象的代码变成可以重用于作用其派生类对象，达到基类对象和派生类对象共享这段代码的目的。

另外，模板以类型作为参数，以实现通用程序的设计，从形式上看似乎呈现多态特性。

但模板从本质上讲仍然属于程序正文的符号代换范畴。

根据实参类型进行推导，从函数模板推导出模板函数，从类模板推导出模板类，产生的结果仍然属于源程序范畴，因此本书不将其归纳到多态性的范畴。

反映多态性的映射G的第三种表现形式是在继承情况下，同一标识符可以为基类和派生类的成员函数命名。

这种多态往往称为包含多态。

这样使得程序正文中的一个标识符f_id 标识一个类体系结构中基类和派生中的多个不同的成员函数f i，而每个f i又表示内存中该成员函数所在的内存区域fD i，从而形成程序正文中的一个标识符f_id标识内存中多个成员函数所在的内存区域。

又一次建立了程序空间到代码空间的一对多映射。

注意：这里讨论的与函数重载是完全不同的。

在函数重载中，要么是多个同名函数都是某个类的成员函数，要么多个同名函数都不属于任何类，只有在这些情况下，才存在重载解析和重载的必要。

映射G反映出的这种多态性在C++中表现为虚函数。

标识符f_id究竟标识那个成员函数f i？对f_id的调用究竟导致那个fD i的代码被调用？这些都要在程序运行期间通过动态束定来予以解决。

归纳起来，C++的多态性体现在通过函数或操作符重载所实现的重载多态，通过类型强制和子类型实现的类型多态，以及在继承情况下，允许同一标识符为基类和派生类的多个成员函数命名以实现虚函数的包含多态。

多态性的本质特征是建立了程序空间到代码空间的一对多的映射。

10.2类型强制将一种类型的值强制转换成为另一种类型的值称为类型强制。

在基本数据类型之间可以通过显式的强制类型转换实现类型强制。

如：对于int x;用x=(int)3.14;或x=int (3.14);或x=static_cast<int>(3.14);都可以完成将浮点数3.14转换为整型数3。

在类类型的定义和使用之间也同样存在类似的类型强制，只不过这种类型强制既可以通过显式的方式来完成，也可以缺省的由构造函数来自动转换，甚至可以根据需要在类中定义类型强制转换成员函数来完成指定的类型强制。

10.2.1 构造函数实现的类型强制当函数的形参为类类型且实参与形参类型不一致的时候，系统将调用构造函数将实参的类型向形参的类类型转换，自动完成类型强制。

先看下面的例子。

例 11-1在f函数被调用过程中，构造函数被自动调用完成类型强制的例子。

设有关于类A以及f函数的声明和定义如下：#include "iostream.h"struct A {A(int x){a=x;cout<<a<<" constructor of class A is called!\n";}A(A& r){a=r.a;cout<<a<<" copy constructor of class A is called!\n";}~A(){cout<<a<<" destructor of class A is called!\n";}void Show(void) const{ cout<<"a="<<a<<endl; }private:int a;};void f(const A& r){cout<<"function f is called!\n";r.Show();}（1）当实参与形参类型一致，有：void main(void){A obja(10);f(obja);}程序运行结果为：10 constructor of class A is called!function f is called!a=1010 destructor of class A is called!此时函数f被调用时没有产生对类A构造函数的调用。

（2）当函数f的形参为A类型引用，但实参为常量时，构造函数被自动调用完成类型强制。

相应的main函数为：void main(void){A obja(10);f(1);}程序运行结果为：10 constructor of class A is called!1 constructor of class A is called!function f is called!a=11 destructor of class A is called!10 destructor of class A is called!此时函数f被调用产生了对类A构造函数的调用。

由于实参与形参的类型不一致，系统此时调用构造函数将常量1的类型int强制转换成为类类型A。

具体过程是在main函数环境中创建一个A类型的匿名对象，并以常量1为初值初始化该匿名对象。

然后f函数的形参r引用该匿名对象并完成显示输出操作，返回mian函数后该匿名对象随即被清除。

类似的，在mian函数中的f(1);后增加一句：obja='a';也会产生调用构造函数完成由char类型向A类型的类型强制。

再例如，对于表达式A(6).Show()，系统也会调用构造函数创建一个匿名对象，并完成由int类型向A类型的类型强制。

然后基于该匿名对象来调用Show()成员函数。

一般的，设类X有如下形式的构造函数：X(T); 以及X(const T& );当一个表达式需要X类型的数据，而程序中实际提供的却是T类型的数据，系统将自动调用X类的构造函数进行从T类型向X类型转换的类型强制。

类型强制的结果是将T类型的数据转换形成X类型的数据以满足表达式的求值需要。

类型强制的过程则是通过创建匿名对象来进行。

并且，在匿名对象的创建和清除的过程中，要调用类X的构造函数和析构函数。

正因为如此，称构造函数具有类型强制作用。

特别的，当类X的构造函数为X()时，应理解T取void。

例如：如果上面例子的类A中有：A(void){a=0;cout<<"default constructor of class A is called!\n";} 或：A(){a=0;cout<<"default constructor of class A is called!\n";}则：A().Show();语句完全正确。