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1、理解C+虚拟与多态机制,机器视觉团队技术交流讲座 第02讲,主讲教师 杨 程,目 录,多态性 虚函数与动态绑定 纯虚函数与抽象类 实例讲解 习题和课后阅读资料,多态性,多态性的定义,何谓多态性? 多态性是指给同样的接口发送同样的消息会导致不同的行为。 多态意味着一个对象有着多重特征，可以在特定的情况下，表现不同的状态，从而对应着不同的属性和方法。 多态性是面向对象程序设计的重要特征之一。 若程序设计语言不支持多态性，不能称为面向对象的语言。,C+多态性,C+有哪些多态性机制? 函数重载 运算符重载 虚函数 函数重载和运算符重载是编译时体现出来的多态性,虚函数则体现了运行时的多态性。,虚函数与动
2、态绑定,示例：乐器类继承体系,类定义 Instrument 乐器 Wind 管乐器 Woodwind 木管乐器 Brass 铜管乐器 Percussion 打击乐器 Stringed 弦乐器,接口说明 play 演奏 adjust 调整乐器 what 显示乐器信息,类型的向上转换(Upcasting),将派生类地址（指针或引用）沿着继承树向上的方向赋给基类指针(赋值兼容原则) Upcasting将对象按传址（by address）而非传值(by value)方式进行操作，而多态性需通过Upcasting来体现。,我们想做什么？,提供给用户一个通用的不变的系统使用接口函数tune（），无论类进行
3、了怎样的变动，这个接口都能正常可靠地工作(总能按照我们的期望选出正确的乐器演奏),我们想做什么？,我们的要求是合理的，这种要求系统具备动态识别能力的需求,在实际运行的很多软件系统当中都是一项基本要求，这正是要求系统具备多态性。 void tune(Instrument / Upcasting ,先看一个例子,#include using namespace std; enum note middleC, Csharp, Eflat ;. class Instrument public: void play(note) const cout “Instrument:play“ endl; ; /
4、 Wind objects are Instruments / because they have the same interface: class Wind : public Instrument public: / Redefine interface function: void play(note) const cout “Wind:play“ endl; ;,void tune(Instrument 我们定义了Wind对象flute，通过接口tune操作play函数,显然我们希望flute对象能正确地调用Wind类的play函数,运行的结果,#include using names
5、pace std; enum note middleC, Csharp, Eflat ;. class Instrument public: void play(note) const cout “Instrument:play“ endl; ; / Wind objects are Instruments / because they have the same interface: class Wind : public Instrument public: / Redefine interface function: void play(note) const cout “Wind:pl
6、ay“ endl; ;,void tune(Instrument 程序却调用了基类Instrument的play函数,显然这不是我们希望的结果！ 问题出在哪儿了呢？,改动一下例子,#include using namespace std; enum note middleC, Csharp, Eflat ;. class Instrument public: virtual void play(note) const cout “Instrument:play“ endl; ; / Wind objects are Instruments / because they have the sam
7、e interface: class Wind : public Instrument public: / Redefine interface function: void play(note) const cout “Wind:play“ endl; ;,void tune(Instrument 将基类函数play函数定义成为虚函数（virtual function）,初见虚函数,虚函数(virtual function)的定义 virtual 返回类型 函数名（参数表）； class Shape private: public: virtual void Draw() cout “Dra
8、w a shape”endl; ;,派生类中的虚函数,虚函数是类成员函数(class member function); 在派生类(derived class)中对虚函数的实现重新定义称之为覆盖(override) 虚函数的“身份”在继承之间能被持续传递下去,再次运行，结果,#include using namespace std; enum note middleC, Csharp, Eflat ;. class Instrument public: virtual void play(note) const cout “Instrument:play“ endl; ; / Wind obj
9、ects are Instruments / because they have the same interface: class Wind : public Instrument public: / Redefine interface function: void play(note) const cout “Wind:play“ endl; ;,void tune(Instrument 这次结果是我们希望的结果！ 我们引入了虚函数机制，导致了这样的结果。,“神奇的” 执行方式 ？,以基类指针运行虚函数，程序就能执行我们所期望的正确的派生类的函数体，虚函数为什么会有这样“神奇的”运行机制
10、呢？ 通过继承而相关的不同类，他们的对象能够对同一个函数作出不同的响应.这样“神奇的” 多态性是怎样实现的呢?,静态绑定与动态绑定,绑定(binding) 程序自身彼此关联的过程，确定程序中的操作调用与执行该操作的代码间的关系。 静态绑定(early binding) 绑定过程出现在编译阶段，用对象名或者类名来限定要调用的函数。 动态绑定(dynamic/later binding) 绑定过程工作在程序运行时执行，在程序运行时才确定将要调用的函数。,“神奇的” 执行方式 动态绑定,C+的虚函数在运行时正是通过动态绑定实现多态机制的。 动态绑定是如何实现的呢？ 动态绑定是通过编译器运用虚函数表V
11、TBL和虚表指针VPTR而实现，在运行时通过动态查询实现对正确函数体的绑定。,VTBL,编译器会为声明了虚函数的类建立一个虚函数表。 VTBL实际上是一个函数指针数组，每个虚函数占用这个数组的一个入口（slot）。 一个类只有一个VTBL，不管它有多少个实例。 派生类有自己的VTBL，但是派生类的VTBL与基类的VTBL有相同的函数排列顺序，同名的虚函数被放在两个数组的相同位置上。,VPTR,在创建类实例的时候，编译器还会在每个实例的内存布局中增加一个VPTR指针，该指针指向本类的VTBL。,最后，是动态联编,在调用此类的构造函数时，在类的构造函数中，编译器会隐含执行VPTR与VTBL的关联代
12、码，将VPTR指向对应的VTBL。这就将类与此类的VTBL联系了起来。 在调用类的构造函数时，指向基类的指针此时已经变成指向具体的类的this指针，依靠此this指针,进一步得到正确的VPTR，即可得到正确的VTBL，从而实现了多态性。在此时才能真正与函数体进行连接，这就是动态联编。,一个更大的例子,#include using namespace std; enum note middleC, Csharp, Cflat ; / Etc. class Instrument public: virtual void play(note) const cout “Instrument:play“
13、 endl; virtual char* what() const return “Instrument“; virtual void adjust(int) ; class Wind : public Instrument public: void play(note) const cout “Wind:play“ endl; char* what() const return “Wind“; void adjust(int) ;,class Percussion : public Instrument public: void play(note) const cout “Percussi
14、on:play“ endl; char* what() const return “Percussion“; void adjust(int) ; class Stringed : public Instrument public: void play(note) const cout “Stringed:play“ endl; char* what() const return “Stringed“; void adjust(int) ;,一个更大的例子,class Brass : public Wind public: void play(note) const cout “Brass:p
15、lay“ endl; char* what() const return “Brass“; ; class Woodwind : public Wind public: void play(note) const cout “Woodwind:play“ endl; char* what() const return “Woodwind“; ;,void tune(Instrument,一个更大的例子,int main() Wind flute; Percussion drum; Stringed violin; Brass flugelhorn; Woodwind recorder; tune(flute); tune(drum); tune(violin); tune(flugelhorn); tune(recorder); f(flugelhorn); /:,f(flugelhorn)函数调用的是哪个版本的adjust()函数呢？,虚函数的特点, 实现动态多态性时，必须使用基类类型的指针（pointer）或引用(reference)型变量，通过该变量引用虚函数，才能实现动态的多态性。 只有类的成员函数才能说明为虚
