解析C++编程中virtual声明的虚函数以及单个继承

来源：本站原创|时间：2020-01-10|栏目：C语言|点击：次

虚函数

虚函数是应在派生类中重新定义的成员函数。当使用指针或对基类的引用来引用派生的类对象时，可以为该对象调用虚函数并执行该函数的派生类版本。
虚函数确保为该对象调用正确的函数，这与用于进行函数调用的表达式无关。
假定基类包含声明为 virtual 的函数，并且派生类定义了相同的函数。为派生类的对象调用派生类中的函数，即使它是使用指针或对基类的引用来调用的。以下示例显示了一个基类，它提供了 PrintBalance 函数和两个派生类的实现

// deriv_VirtualFunctions.cpp
// compile with: /EHsc
#include <iostream>
using namespace std;

class Account {
public:
  Account( double d ) { _balance = d; }
  virtual double GetBalance() { return _balance; }
  virtual void PrintBalance() { cerr << "Error. Balance not available for base type." << endl; }
private:
  double _balance;
};

class CheckingAccount : public Account {
public:
  CheckingAccount(double d) : Account(d) {}
  void PrintBalance() { cout << "Checking account balance: " << GetBalance() << endl; }
};

class SavingsAccount : public Account {
public:
  SavingsAccount(double d) : Account(d) {}
  void PrintBalance() { cout << "Savings account balance: " << GetBalance(); }
};

int main() {
  // Create objects of type CheckingAccount and SavingsAccount.
  CheckingAccount *pChecking = new CheckingAccount( 100.00 ) ;
  SavingsAccount *pSavings = new SavingsAccount( 1000.00 );

  // Call PrintBalance using a pointer to Account.
  Account *pAccount = pChecking;
  pAccount->PrintBalance();

  // Call PrintBalance using a pointer to Account.
  pAccount = pSavings;
  pAccount->PrintBalance();  
}

在前面的代码中，对 PrintBalance 的调用是相同的，pAccount 所指向的对象除外。由于 PrintBalance 是虚拟的，因此将调用为每个对象定义的函数版本。派生类 PrintBalance 和 CheckingAccount 中的 SavingsAccount 函数“重写”基类 Account 中的函数。
如果声明的类不提供 PrintBalance 函数的重写实现，则使用基类 Account 中的默认实现。
派生类中的函数仅在基类中的虚函数的类型相同时重写这些虚函数。派生类中的函数不能只是与其返回类型中的基类的虚函数不同；参数列表也必须不同。
当使用指针或引用调用函数时，以下规则将适用：
根据为其调用的对象的基本类型来解析对虚函数的调用。
根据指针或引用的类型来解析对非虚函数的调用。
以下示例说明在通过指针调用时虚函数和非虚函数的行为：

// deriv_VirtualFunctions2.cpp
// compile with: /EHsc
#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
  virtual void NameOf();  // Virtual function.
  void InvokingClass();  // Nonvirtual function.
};

// Implement the two functions.
void Base::NameOf() {
  cout << "Base::NameOf\n";
}

void Base::InvokingClass() {
  cout << "Invoked by Base\n";
}

class Derived : public Base {
public:
  void NameOf();  // Virtual function.
  void InvokingClass();  // Nonvirtual function.
};

// Implement the two functions.
void Derived::NameOf() {
  cout << "Derived::NameOf\n";
}

void Derived::InvokingClass() {
  cout << "Invoked by Derived\n";
}

int main() {
  // Declare an object of type Derived.
  Derived aDerived;

  // Declare two pointers, one of type Derived * and the other
  // of type Base *, and initialize them to point to aDerived.
  Derived *pDerived = &aDerived;
  Base  *pBase  = &aDerived;

  // Call the functions.
  pBase->NameOf();      // Call virtual function.
  pBase->InvokingClass();  // Call nonvirtual function.
  pDerived->NameOf();    // Call virtual function.
  pDerived->InvokingClass(); // Call nonvirtual function.
}

输出

Derived::NameOf
Invoked by Base
Derived::NameOf
Invoked by Derived

请注意，无论 NameOf 函数是通过指向 Base 的指针还是通过指向 Derived 的指针进行调用，它都会调用 Derived 的函数。它调用 Derived 的函数，因为 NameOf 是虚函数，并且 pBase 和 pDerived 都指向类型 Derived 的对象。
由于仅为类类型的对象调用虚函数，因此不能将全局函数或静态函数声明为 virtual。
在派生类中声明重写函数时可使用 virtual 关键字，但它不是必需的；虚函数的重写始终是虚拟的。
必须定义基类中的虚函数，除非使用 pure-specifier 声明它们。（有关纯虚函数的详细信息，请参阅抽象类。）
可通过使用范围解析运算符 (::) 显式限定函数名称来禁用虚函数调用机制。考虑先前涉及 Account 类的示例。若要调用基类中的 PrintBalance，请使用如下所示的代码：

CheckingAccount *pChecking = new CheckingAccount( 100.00 );

pChecking->Account::PrintBalance(); // Explicit qualification.

Account *pAccount = pChecking; // Call Account::PrintBalance

pAccount->Account::PrintBalance();  // Explicit qualification.

在前面的示例中，对 PrintBalance 的调用将禁用虚函数调用机制。

单个继承
在“单继承”（继承的常见形式）中，类仅具有一个基类。考虑下图中阐释的关系。

简单单继承关系图
注意该图中从常规到特定的进度。在大多数类层次结构的设计中发现的另一个常见特性是，派生类与基类具有“某种”关系。在该图中，Book 是一种 PrintedDocument，而 PaperbackBook 是一种 book。
该图中的另一个要注意的是：Book 既是派生类（来自 PrintedDocument），又是基类（PaperbackBook 派生自 Book）。此类类层次结构的框架声明如下面的示例所示：

// deriv_SingleInheritance.cpp
// compile with: /LD
class PrintedDocument {};

// Book is derived from PrintedDocument.
class Book : public PrintedDocument {};

// PaperbackBook is derived from Book.
class PaperbackBook : public Book {};

PrintedDocument 被视为 Book 的“直接基”类；它是 PaperbackBook 的“间接基”类。差异在于，直接基类出现在类声明的基础列表中，而间接基类不是这样的。
在声明派生的类之前声明从中派生每个类的基类。为基类提供前向引用声明是不够的；它必须是一个完整声明。
在前面的示例中，使用访问说明符 public。成员访问控制中介绍了公共的、受保护的和私有的继承的含义。
类可用作多个特定类的基类，如下图所示。

注意
有向非循环图对于单继承不是唯一的。它们还用于表示多重继承关系图。多重继承中对本主题进行了说明。
在继承中，派生类包含基类的成员以及您添加的所有新成员。因此，派生类可以引用基类的成员（除非在派生类中重新定义这些成员）。当在派生类中重新定义了直接或间接基类的成员时，范围解析运算符 (::) 可用于引用这些成员。请看以下示例：

// deriv_SingleInheritance2.cpp
// compile with: /EHsc /c
#include <iostream>
using namespace std;
class Document {
public:
  char *Name;  // Document name.
  void PrintNameOf();  // Print name.
};

// Implementation of PrintNameOf function from class Document.
void Document::PrintNameOf() {
  cout << Name << endl;
}

class Book : public Document {
public:
  Book( char *name, long pagecount );
private:
  long PageCount;
};

// Constructor from class Book.
Book::Book( char *name, long pagecount ) {
  Name = new char[ strlen( name ) + 1 ];
  strcpy_s( Name, strlen(Name), name );
  PageCount = pagecount;
};

请注意，Book 的构造函数 (Book::Book) 具有对数据成员 Name 的访问权。在程序中，可以创建和使用类型为 Book 的对象，如下所示：

// Create a new object of type Book. This invokes the
//  constructor Book::Book.
Book LibraryBook( "Programming Windows, 2nd Ed", 944 );

...

// Use PrintNameOf function inherited from class Document.
LibraryBook.PrintNameOf();

如前面的示例所示，以相同的方式使用类成员和继承的数据和函数。如果类 Book 的实现调用 PrintNameOf 函数的重新实现，则只能通过使用范围解析 (Document) 运算符来调用属于 :: 类的函数：

// deriv_SingleInheritance3.cpp
// compile with: /EHsc /LD
#include <iostream>
using namespace std;

class Document {
public:
  char *Name;     // Document name.
  void PrintNameOf() {} // Print name.
};

class Book : public Document {
  Book( char *name, long pagecount );
  void PrintNameOf();
  long PageCount;
};

void Book::PrintNameOf() {
  cout << "Name of book: ";
  Document::PrintNameOf();
}

如果存在可访问的明确基类，则可以隐式将派生类的指针和引用转换为其基类的指针和引用。下面的代码使用指针演示了此概念（相同的原则适用于引用）：

// deriv_SingleInheritance4.cpp
// compile with: /W3
struct Document {
  char *Name;
  void PrintNameOf() {}
};

class PaperbackBook : public Document {};

int main() {
  Document * DocLib[10];  // Library of ten documents.
  for (int i = 0 ; i < 10 ; i++)
   DocLib[i] = new Document;
}

在前面的示例中，创建了不同的类型。但是，由于这些类型都派生自 Document 类，因此存在对 Document * 的隐式转换。因此，DocLib 是“异类列表”（其中包含的所有对象并非属于同一类型），该列表包含不同类型的对象。
由于 Document 类具有一个 PrintNameOf 函数，因此它可以打印库中每本书的名称，但它可能会忽略某些特定于文档类型的信息（Book 的页计数、HelpFile 的字节数等）。
注意
强制使用基类来实现函数（如 PrintNameOf）通常不是最佳设计。虚函数提供其他设计替代方法。

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