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C++多态和虚函数详解

如果用不同类型的数据执行代码会产生不同的行为，那么该段代码就认为是多态的。例如，如果一个函数在传递不同类型的参数时执行不同的操作，那么称之为是多态的。

为了说明多态性，请看下面的程序： 
//Inheritance4.h 的内容
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;

enum class Discipline { ARCHEOLOGY, BIOLOGY, COMPUTER_SCIENCE };
enum class Classification { FRESHMAN, SOPHOMORE, JUNIOR, SENIOR };
class Person
{
    protected:
        string name;
    public:
        Person() { setName(""); }
        Person(const string& pName) { setName(pName); }
        void setName(const string& pName) { name = pName; }
        string getName() const { return name; }
};

class Student:public Person
{
    private:
        Discipline major;
        shared_ptr<Person> advisor;
    public:
        Student(const string& sname, Discipline d, const shared_ptr<Person>& adv) : Person(sname)
        {
            major = d;
            advisor = adv;
        }
        void setMajor(Discipline d) { major = d; }
        Discipline getMajor() const { return major; }
        void setAdvisor(shared_ptr<Person> p) { advisor = p; }
        shared_ptr<Person> getAdvisor() const { return advisor; }
};

class Faculty :public Person
{
    private:
        Discipline department;
    public:
        Faculty(const string& fname, Discipline d) : Person(fname)
        {
            department = d;
        }
        void setDepartment(Discipline d) { department = d; }
        Discipline getDepartment() const { return department; }
};

class TFaculty : public Faculty
{
    private:
        string title;
    public:
        TFaculty(const string& fname, Discipline d, string title):Faculty(fname, d)
        {
            setTitle(title);
        }
        void setTitle (const string& title) { this->title = title; }
        // Override getName()
        string getName() const
        {
            return title + " " + Person::getName();
        }

};
//main主程序
// This exhibits the default non-polymorphic behavior of C++.
#include "inheritance4.h"
#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    // Create a vector of pointers to Person objects
    vector<shared_ptr<Person>> people
    {
        make_shared<TFaculty>
        ("Indiana Jones", Discipline::ARCHEOLOGY, "Dr."), make_shared<Student>("Thomas Cruise", Discipline::COMPUTER_SCIENCE, nullptr), make_shared<Faculty>("James Stock", Discipline::BIOLOGY),make_shared<TFaculty>("Sharon Rock", Discipline::BIOLOGY, "Professor"), make_shared<TFaculty>("Nicole Eweman", Discipline::ARCHEOLOGY, "Dr.")
    };

    // Print the names of the Person objects
    for (int k = 0; k < people.size (); k++)
    {
        cout << people[k]->getName() << endl;
    }
    return 0;
}
程序输出结果：

Indiana Jones
Thomas Cruise
James Stock
Sharon Rock
Nicole Eweman

该程序创建了一个矢量，这个矢量中的指针类型为 Student、Faculty 和 TFaculty，但实际上却指向了 Person 对象。然后它使用了相同的代码打印所有对象中名称。因为一个矢量只能存放一种类型的元素，所以必须使用一个指向基类的指针矢量。

请注意，即使 TFaculty 对象具有自己的更特殊化的版本，程序也会为数组中的所有对象调用 Person 版本的 getName 函数。这段代码显然不是多态的，因为它为每个对象执行相同的成员函数，而不管它的类型如何。换句话说，对于不同类型的对象，其表现却并无不同。

为了更好地理解所发生的事情，现在来仔细看一看这 5 次调用中每一次所发生的情况。

people[k]->getName();

该函数用于检索要打印的名称。在每次调用中，指向基类 Person 的指针 people[k] 用于调用不同派生类的对象中的 getName 函数。其中的一些类，如 TFaculty，提供了更特殊化的版本来覆盖 getName 函数。当 people[k] 指向 TFaculty 对象时，编译器必须在 Person 中定义的 getName 与 TFaculty 中定义的 getName 之间进行选择。Person 是指针所属的类，TFaculty 是对象实际所属的类。 

前面已经介绍过，当一个指向基类的指针被用于访问被派生类覆盖的成员函数时，默认的 C++ 行为是使用指针所在类中定义的函数版本，而不是对象所属类中的版本。所以，这里编译器选择的是在 Person 中定义的 getName 函数，这也是函数的5次调用，虽然对象类型不同，但是表现却相同的原因。

在面向对象编程中，通过基类指针调用派生类对象的成员函数的情况是很常见的。假设有一个基类 B，它有一个成员函数为基类指针 ptr 指向派生类 D 的一个对象。该示例语句如下： 
class B {
    public:
        void mfun()
        {
            cout << "Base class version";
        }
};

class D : public B
{
    public:
        void mfun()
        {
            cout << "Derived class version";
        }
};

shared_ptr<Base> ptr = make_shared<D>();
根据前面的介绍可知，此时如果写入以下语句，那么将被调用的应该是基类 B 的成员函数而不是派生类 D 的成员函数：

ptr->mfun()

如果想让编译器选择使用派生类 D 中更特殊化的 mfun() 版本，那该怎么办呢？在 C++ 中，可以通过将 mfun() 声明为基类中的虚函数来执行此操作。C++ 中使用虚函数来支持多态行为。因此，为了实现基类 B 及其所有派生类中 mfun() 函数的多态行为，必须修改基类 B 中的定义如下：
class B
{
    public:
    virtual void mfun()
    {
        cout << "Base class version";
    }
};
虚拟特性是可继承的。即如果派生类的成员函数覆盖了基类中的虚函数，那么该成员函数也会自动虚拟它本身。因此，在基类 B 中将 mfun 声明为虚函数，也将使 D 以及所有从 D 中派生的类中的 mfun 函数变成虚函数。

虽然没有必要，但是很多程序员都会使用 virtual 关键字来标记所有的虚函数，以便更容易地识别它们。这是很好的做法，因此，D 的定义应该如下：
class D : public B
{
    public: virtual void mfun()
    {
        cout << "Derived class version";
    }
};
在本示例中，虚函数己经定义在类声明中。如果虚函数定义在类声明之外，则 virtual 关键字将继续对其类中声明有效，而对定义无效。C++ 不允许在类外面定义虚函数时加 virtual 关键字。

以下程序是文章开头程序的修改版。其中，Person 类的 getName 函数己经声明为虚函数。它还包含了 inheritance5.h 文件，这是 inheritance4.h 文件的修改版，并且已经将 Person 类的 getName 函数变成了虚函数。 
//Inheritance5.h 的内容
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;

enum class Discipline { ARCHEOLOGY, BIOLOGY, COMPUTER_SCIENCE };
enum class Classification { FRESHMAN, SOPHOMORE, JUNIOR, SENIOR };
class Person
{
    protected:
        string name;
    public:
        Person() { setName(""); }
        Person(const string& pName) { setName(pName); }
        void setName(const string& pName) { name = pName; }
        //virtual function
        virtual string getName() const { return name; }
};

class Student:public Person
{
    private:
        Discipline major;
        shared_ptr<Person> advisor;
    public:
        Student(const string& sname, Discipline d, const shared_ptr<Person>& adv) : Person(sname)
        {
            major = d;
            advisor = adv;
        }
        void setMajor(Discipline d) { major = d; }
        Discipline getMajor() const { return major; }
        void setAdvisor(shared_ptr<Person>& p) { advisor = p; }
        shared_ptr<Person> getAdvisor() const { return advisor; }
};

class Faculty :public Person
{
    private:
        Discipline department;
    public:
        Faculty(const string& fname, Discipline d) : Person(fname)
        {
            department = d;
        }
        void setDepartment(Discipline d) { department = d; }
        Discipline getDepartment() const { return department; }
};

class TFaculty : public Faculty
{
    private:
        string title;
    public:
        TFaculty(const string& fname, Discipline d,const string& title):Faculty(fname, d)
        {
            setTitle(title);
        }
        void setTitle (const string& title) { this->title = title; }
        // Override getName()
        string getName() const
        {
            return title + " " + Person::getName();
        }

};
//main主程序
// This exhibits the default non-polymorphic behavior of C++.
#include "inheritance5.h"
#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    // Create a vector of pointers to Person objects
    vector<shared_ptr<Person>> people
    {
        make_shared<TFaculty>
        ("Indiana Jones", Discipline::ARCHEOLOGY, "Dr."), make_shared<Student>("Thomas Cruise", Discipline::COMPUTER_SCIENCE, nullptr), make_shared<Faculty>("James Stock", Discipline::BIOLOGY),make_shared<TFaculty>("Sharon Rock", Discipline::BIOLOGY, "Professor"), make_shared<TFaculty>("Nicole Eweman", Discipline::ARCHEOLOGY, "Dr.")
    };

    // Print the names of the Person objects
    for (int k = 0; k < people.size (); k++)
    {
        cout << people[k]->getName() << endl;
    }
    return 0;
}
程序输出结果：

Dr. Indiana Jones
Thomas Cruise
James Stock
Professor Sharon Rock
Dr. Nicole Eweman