1. 虚函数

在类的定义中，前面带有关键字virtual的成员函数称为虚函数。如下形式：

class base{virtual int get();    // 虚函数
}
int base::get(){}

对于虚函数，需要注意的几点是：

virtual关键字只用在类定义里的函数声明中，函数的具体实现时不使用该关键字；
构造函数和静态成员函数（带有static关键字）不能是虚函数。

以上是虚函数的简要内容，后面部分会介绍关于虚函数的详细内容。

2. 多态

在C＋＋{\rm C＋＋}C＋＋中，多态存在于类与类之间存在继承关系时的情况。多态的实质是在调用成员函数时，根据调用函数的对象的不同类型来执行不同的函数。多态的表现形式之一（通过基类的指针实现）如下：

派生类的指针可以赋给基类指针；
通过基类指针调用基类和派生类中的同名虚函数时：若该指针指向一个基类的对象，那么被调用的是基类的虚函数；若该指针指向一个派生类的对象，那么被调用的是派生类的虚函数。这就是上述提到的根据对象的类型来执行不同的函数。

上面仅用文字介绍了多态的内容，下面以一个实例来说明多态机制：

class CBase {public:virtual void SomeVirtualFunction() {}
};
class CDerived :public CBase
{public:virtual void SomeVirtualFunction() {}
};
int main() {CDerived ODerived;CBase* p = &ODerived;// 调用哪一个虚函数取决于p所指向的内容// 具体到该程序，该虚函数来自于派生类p->SomeVirtualFunction();return 0;
}

上述指针p指向派生类CDerived的对象，所以p调用的是派生类CDerived的虚函数。上面介绍的是多态的其中一种形式，多态还存在其他的表现形式：

派生类的对象可以赋给基类的引用；
通过基类引用调用基类和派生类中的同名虚函数时：如该引用引用的是一个基类的对象，那么被调用的是基类的虚函数；若该引用引用的是一个派生类的对象，那么被调用的是派生类的虚函数。

class CBase {public:virtual void SomeVirtualFunction() {}
};
class CDerived :public CBase
{public:virtual void SomeVirtualFunction() {}
};
int main() {CDerived ODerived;CBase& r = ODerived;// 调用哪一个虚函数取决于r所引用的内容// 具体到该程序，该虚函数来自于派生类r.SomeVirtualFunction();return 0;
}

上面是多态的两种典型形式，接下来来看一个综合的例子：

class A {public:virtual void Print() {cout << "A::Print" << endl;}
};
class B :public A {public:virtual void Print() {cout << "B::Print" << endl;}
};
class C :public A {public:virtual void Print() {cout << "C::Print" << endl;}
};
class D :public B {public:virtual void Print() {cout << "D::Print" << endl;}
};
int main() {// 为每一个类定义一个对象A a;B b;C c;D d;// 为每一个对象定义一个指针A* pa = &a;B* pb = &b;C* pc = &c;D* pd = &d;// 输出语句pa->Print(); // A::Printpa = pb;pa->Print(); // B::Printpa = pc;pa->Print(); // C::Printpa = pd;pa->Print(); // D::Printreturn 0;
}

我们可以从以上程序总结出多态的作用：在面向对象的程序设计中使用多态，能够增强程序的可扩充性，即程序需要修改或增加功能的时候，需要改动和增加的代码较少。下一部分将用两个实际例子来说明多态的用法和作用。

3. 基于多态的实例

本部分介绍基于多态实现的两个C＋＋{\rm C＋＋}C＋＋案例，二者均来自参考部分的课程。

3.1 魔法门之英雄无敌

游戏介绍请参考百度百科。现在，游戏中有很多种怪物，每种怪物都是一个类与之对应，每个具体的怪物就是一个类的对象。如士兵类CSoldier、凤凰类CPhonex、狼类CWolf、龙类CDragon和天使类CAngel。并且，怪物间能够相互攻击，攻击敌人和被攻击时都有相应的动作，而这些动作都是通过类的成员函数实现。每个类的成员变量对应于怪物的属性，如生命值、攻击力等。在游戏版本升级时，要增加新的怪物——雷鸟。这就要考虑如何编写代码使得在新添加一个类CThunderBird时，程序总体的改动很小。

这里，为每个怪物编写三个表示动作的成员函数，Attack、FightBack和Hurted。Attack表示攻击动作，在调用Attack函数时对应于调用被攻击者的Hurted函数，被攻击者的生命值减少，同时也调用被攻击者的FightBack的函数，表示对攻击者的反击；FightBack表示被攻击时的反击动作；Hurted表示被攻击时的动作，同时减少生命值。这里，我们创建基类CCreature，所有怪物类都继承自该基类。

// 基类CCreature
class CCreature {protected:int m_nLifeValue, m_nPower;   // 怪物的生命值和攻击力
public:// 多态，将成员函数定义为虚函数virtual void Attack(CCreature* pCreature) {} // 攻击动作virtual void Hurted(int nPower) {}               // 受伤动作virtual void FightBack(CCreature* pCreature) {}  // 反击动作
};
// 我们以其中一个类举例说明
class CSoldier :public CCreature {public:// 多态virtual void Attack(CCreature* pCreature) {}virtual void Hurted(int nPower) {}      virtual void FightBack(CCreature* pCreature) {}
};
void CSoldier::Attack(CCreature* p) {// ...// 该处写表示攻击动作的代码// ...p->Hurted(m_nPower); // p表示被攻击对象p->FightBack(this);       // 被攻击对象反击
}
void CSoldier::Hurted(int nPower) {// ...// 该处写表示受伤动作的代码// ...m_nLifeValue -= nPower;  // 被攻击时，生命值减少
}
void CSoldier::FightBack(CCreature* p) {// ...// 该处写表示反击动作的代码// ...p->Hurted(m_nPower / 2);  // 以攻击者的1/2攻击力作为被攻击者反击时的攻击力
}

由上述代码可知，当我们需要增加一个CThunderBird类时，仅在类中改变基类的对应成员函数的实现方式即可，而不必修改原来的代码。上面代码的使用方式如下：

// 声明怪物对象
CSoldier Soldier; CPhonex Phonex; CWolf Wolf;
// 士兵攻击凤凰和狼
Soldier.Attack(& Phonex);
Soldier.Attack(& Wolf);void CSoldier::Attack(CCreature* p) {// ...// 该处写表示攻击动作的代码// ...p->Hurted(m_nPower);  // p表示被攻击对象p->FightBack(this);       // 被攻击对象反击
}

观察上面士兵攻击凤凰和狼的代码部分，我们在前面提到，通过基类引用调用基类和派生类中的同名虚函数时：如该引用引用的是一个基类的对象，那么被调用的是基类的虚函数；若该引用引用的是一个派生类的对象，那么被调用的是派生类的虚函数。这里在语句Soldier.Attack(& Phonex)，对应于函数中的语句p->Hurted(m_nPower)，由于这里p表示对象Phonex，所以这里调用的Hurted和FightBack都是CPhonex类的成员函数，这就是多态的实现。

3.2 几何形体处理程序

几何形体处理程序实现的功能如下，输入若干个几何形体的参数，要求按面积排序输出，并且在输出中指明具体的几何形体。输入的规则如下：输入的第一行表示几何形体的数目n{\rm n}n，接着下面输入n{\rm n}n行值，每一行以一个字母c{\rm c}c开头。如果c{\rm c}c是′R′{\rm 'R'}′R′，则表示一个矩形，本行后面跟两个整数分别表示举行的宽和高；若干c{\rm c}c是′C′{\rm 'C'}′C′，则表示一个圆，本行后面跟一个整数表示圆的半径；如果c{\rm c}c是′T′{\rm 'T'}′T′，则表示一个三角形，本行后面紧跟三个整数表示三角形三条边的长度。输出的规则如下：按面积从小到大依次输出每个几何形体的种类及面积。每行输出一个几何形体，输出的具体格式为形体名称：面积。如：

// 输入
3       // 表示一共输入三个几何形体
R 3 5   // 矩形，其宽和高分别为3和5
C 9     // 圆，其半径为9
T 3 4 5 // 三角形，其三条边分别为3 4 5
// 经程序处理后，每个形体的面积以此为：矩形为6，圆为254.34，三角形为15.
// 输出
Triangle: 6
Rectangle: 15
Circle: 254.34

与上一个例子相似，我们首先定义一个基类CShape，所以几何形体类都继承自该基类。所有形体的共同点有：求面积和打印信息。而由于不同形体计算面积的方式不同，我们在各自的几何形体类中具体实现这两个函数，这就涉及到多态。

// 基类
class CShape {public:virtual double Area() = 0;  // 纯虚函数virtual void PrintInfo() = 0;
};
// 矩形类
class CRectangle :public CShape {public:int w, h;virtual double Area();virtual void PrintInfo();;
};
// 圆类
class CCircle :public CShape {public:int r;virtual double Area();virtual void PrintInfo();;
};
// 三角形类
class CTriangle :public CShape {public:int a, b, c;virtual double Area();virtual void PrintInfo();;
};
// 矩形
double CRectangle::Area() {return w * h;
}
void CRectangle::PrintInfo() {cout << "Rectangle: " << Area() << endl;
}
// 圆
double CCircle::Area() {return 3.14 * r * r;
}
void CCircle::PrintInfo() {cout << "Circle: " << Area() << endl;
}
// 三角形
double CTriangle::Area() {double p = (a + b + c) / 2.0;return sqrt(p * (p - a) * (p - b) * (p - c));
}
void CTriangle::PrintInfo() {cout << "Triangle: " << Area() << endl;
}

在上面程序中，由于在基类中不涉及计算面积和输出信息的具体实现，我们将对应成员函数定义为纯虚函数。同时，由于我们需要对输出结果按面积排序，我们先定义自己的比较函数以作为函数qsort的参数。qsort比较函数的某一位参数可以让我们自定义排序的类型，具体的写法可参考网上相关资料。

// 直接声明为n的最大值
CShape* pShapes[100];
// 由于输出结果需要对面积排序，这里我们定义比较函数
int MyCompare(const void* s1, const void* s2) {// 我们注意到MyCompare参数的类型是void*，所以其不能直接位于赋值// 运算符的右边。我们再使用一个*来取对应的值，即**s。double a1, a2;CShape** p1;CShape** p2;// 强制类型转换p1 = (CShape**)s1;p2 = (CShape**)s2;a1 = (*p1)->Area();a2 = (*p2)->Area();// 根据面积的大小关系返回不同的值if (a1 < a2) {return -1;}else if (a1 > a2) {return 1;}else{return 0;}
}

下面是主函数的实现：

int main() {int n;CRectangle* pr; CCircle* pc; CTriangle* pt;// 从键盘输入总的几何形体数cin >> n;// 使用循环输入剩余内容for (int i = 0; i < n; ++i) {char c;// 根据输入字符确定几何形体cin >> c;switch (c){case 'R':pr = new CRectangle();// 输入宽和高cin >> pr->w >> pr->h;pShapes[i] = pr;break;case 'C':pc = new CCircle();// 圆的半径cin >> pc->r;pShapes[i] = pc;break;case 'T':pt = new CTriangle();// 输入三角形三条边的边长cin >> pt->a >> pt->b >> pt->c;pShapes[i] = pt;break;default:break;}}// 对结果排序qsort(pShapes, n, sizeof(CShape*), MyCompare);// 输出for (int i = 0; i < n; ++i) {pShapes[i]->PrintInfo();}return 0;
}

注意，派生类和基类中的同名同参数表的函数，不加virtual关键字也自动成为虚函数。最后给出在构造函数和析构函数中调用虚函数的性质：

在非构造函数和非析构函数的成员函数中调用虚函数，即是多态；
在构造函数和析构函数中调用虚函数，不是多态。编译时即可确定，调用的函数是自己的类或基类中定义的函数，不会等到运行时才决定调用的函数是自己的还是派生类的。

4. 总结

由前面的内容，我们可以总结出多态的相关内容：使用多态时，程序不必为每一个派生类都编写函数调用，派生类可以只关注本类中对应函数的实现功能，做到基类函数的同一接口的不同实现方式，大大提高了程序的可复用性；同时，基类也可以调用派生类的成员，即向后兼容，提高了程序的可扩充性和可维护性。后一点内容我们在以后的文章中会介绍。总之，多态是面向过程编程和面向对象编程的显著差异之一。灵活使用多态对于编写健壮、可扩充、可复用的程序至关重要。

参考

北京大学公开课：程序设计与算法（三）C++面向对象程序设计.

完

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