多態(tài)性實(shí)現(xiàn)原理及其在面向?qū)ο缶幊讨械膽?yīng)用

在面向?qū)ο蟮?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程中，多態(tài)性是一個(gè)非常重要的概念。多態(tài)性意味著在不同的上下文中使用同一對(duì)象時(shí)，可以產(chǎn)生不同的行為。C++是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，在C++中，虛函數(shù)是實(shí)現(xiàn)多態(tài)性的關(guān)鍵。

什么是虛函數(shù)

虛函數(shù)是一個(gè)在基類中聲明的函數(shù)，它可以被子類重寫(xiě)并提供不同的實(shí)現(xiàn)。在C++中，使用關(guān)鍵字virtual來(lái)聲明一個(gè)虛函數(shù)。虛函數(shù)的原理是將函數(shù)調(diào)用的控制權(quán)交給運(yùn)行時(shí)環(huán)境，而不是編譯時(shí)環(huán)境。因此，虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)需要在運(yùn)行時(shí)才能確定。虛函數(shù)的聲明形式如下：

virtual 返回類型 函數(shù)名(參數(shù)列表) {
   // 實(shí)現(xiàn)代碼
 }

例如：

class Shape {
   public:
     virtual void draw() {
       // 實(shí)現(xiàn)代碼
     }
 };
 
 class Circle : public Shape {
   public:
     void draw() override {
       // 實(shí)現(xiàn)代碼
     }
 };

在上面的例子中，Shape類定義了一個(gè)虛函數(shù)draw()，并在Circle類中重寫(xiě)了它。注意，在Circle類中的重寫(xiě)函數(shù)中使用了override關(guān)鍵字，這是C++11中引入的新特性，表示該函數(shù)是對(duì)基類中同名函數(shù)的重寫(xiě)。

多態(tài)性的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)使用基類指針或引用來(lái)訪問(wèn)派生類對(duì)象時(shí)，如果虛函數(shù)已被重寫(xiě)，將調(diào)用派生類中的實(shí)現(xiàn)。這種行為稱為運(yùn)行時(shí)多態(tài)性，因?yàn)閷?shí)際調(diào)用的函數(shù)是在運(yùn)行時(shí)確定的。例如：

Shape* s = new Circle();
 s- >draw(); // 調(diào)用Circle類中的draw()函數(shù)

在上面的例子中，我們使用基類指針s來(lái)訪問(wèn)Circle類的對(duì)象，因?yàn)?code>Circle類重寫(xiě)了draw()函數(shù)，所以調(diào)用的是Circle類中的實(shí)現(xiàn)。這種行為可以使代碼更加靈活、可擴(kuò)展和易于維護(hù)。多態(tài)性的實(shí)現(xiàn)有兩種方式：靜態(tài)多態(tài)和動(dòng)態(tài)多態(tài)。靜態(tài)多態(tài)是通過(guò)函數(shù)重載實(shí)現(xiàn)的，而動(dòng)態(tài)多態(tài)是通過(guò)虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

靜態(tài)多態(tài)是在編譯時(shí)確定函數(shù)的調(diào)用，函數(shù)重載是靜態(tài)多態(tài)的一種形式。例如：

void print(int a) {
   // 實(shí)現(xiàn)代碼
 }
 
 void print(float b) {
   // 實(shí)現(xiàn)代碼
 }

在上面的例子中，我們定義了兩個(gè)函數(shù)print()，一個(gè)接受一個(gè)整數(shù)參數(shù)，另一個(gè)接受一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)參數(shù)。在調(diào)用print()函數(shù)時(shí)，編譯器會(huì)根據(jù)傳遞的參數(shù)類型確定調(diào)用哪個(gè)函數(shù)。

動(dòng)態(tài)多態(tài)是在運(yùn)行時(shí)確定函數(shù)的調(diào)用。虛函數(shù)是動(dòng)態(tài)多態(tài)的一種形式。在使用虛函數(shù)時(shí)，可以將基類指針或引用指向派生類對(duì)象，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多態(tài)性調(diào)用。例如：

Shape* s = new Circle();
 s- >draw(); // 調(diào)用Circle類中的draw()函數(shù)

在上面的例子中，我們使用基類指針s來(lái)訪問(wèn)Circle類的對(duì)象，因?yàn)?code>Circle類重寫(xiě)了draw()函數(shù)，所以調(diào)用的是Circle類中的實(shí)現(xiàn)。這種行為稱為運(yùn)行時(shí)多態(tài)性，因?yàn)閷?shí)際調(diào)用的函數(shù)是在運(yùn)行時(shí)確定的。

多態(tài)的底層原理

在C++中，多態(tài)是通過(guò)虛函數(shù)表和虛指針來(lái)實(shí)現(xiàn)的。虛函數(shù)表是一個(gè)特殊的表格，其中包含了虛函數(shù)的地址。每個(gè)類都有一個(gè)虛函數(shù)表，其中包含了該類及其基類的虛函數(shù)地址。當(dāng)一個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)，它將包含一個(gè)指向其類的虛函數(shù)表的指針，稱為虛指針。當(dāng)調(diào)用一個(gè)虛函數(shù)時(shí)，程序?qū)⑹紫炔檎以搶?duì)象的虛指針，然后使用虛指針中的虛函數(shù)表來(lái)查找正確的函數(shù)地址。這種方法使得程序在運(yùn)行時(shí)能夠動(dòng)態(tài)地選擇正確的函數(shù)。

多態(tài)性的好處

多態(tài)性可以使代碼更加靈活、可擴(kuò)展和易于維護(hù)。多態(tài)性可以使代碼更加通用，可以使同樣的代碼適用于不同的對(duì)象。多態(tài)性可以提高代碼的復(fù)用性，可以減少代碼的重復(fù)編寫(xiě)。多態(tài)性可以使代碼更加易于維護(hù)，因?yàn)榇a可以更加清晰、簡(jiǎn)潔和易于理解。

在實(shí)際編程中，多態(tài)性也是非常有用的。例如，我們可以使用多態(tài)性來(lái)編寫(xiě)一個(gè)通用的排序函數(shù)，該函數(shù)可以對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序。另一個(gè)例子是圖形界面編程，我們可以使用多態(tài)性來(lái)處理不同的用戶輸入事件。

總結(jié)

虛函數(shù)是實(shí)現(xiàn)多態(tài)性的關(guān)鍵，它允許不同的對(duì)象表現(xiàn)出不同的行為。當(dāng)使用基類指針或引用來(lái)訪問(wèn)派生類對(duì)象時(shí)，虛函數(shù)將調(diào)用派生類中的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行時(shí)多態(tài)性。在面向?qū)ο蟮木幊讨?，多態(tài)性是一個(gè)非常重要的概念，可以使代碼更加靈活、可擴(kuò)展和易于維護(hù)。多態(tài)性有兩種形式：靜態(tài)多態(tài)和動(dòng)態(tài)多態(tài)。靜態(tài)多態(tài)是通過(guò)函數(shù)重載實(shí)現(xiàn)的，而動(dòng)態(tài)多態(tài)是通過(guò)虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。虛函數(shù)的底層原理可以參考我之前的帖子，有詳細(xì)的介紹，這里不做多展開(kāi)。最后，多態(tài)性可以使代碼更加通用、易于維護(hù)和提高復(fù)用性。