這篇文章主要介紹了C++編程的多態性概念,是C++入門學習中的基礎知識,需要的朋友可以參考下

多態性(polymorphism)是面向對象程序設計的一個重要特征。如果一種語言只支持類而不支持多態，是不能被稱為面向對象語言的，只能說是基于對象的，如Ada、VB就屬此類。C++支持多態性，在C++程序設計中能夠實現多態性。利用多態性可以設計和實現一個易于擴展的系統。

顧名思義，多態的意思是一個事物有多種形態。多態性的英文單詞polymorphism來源于希臘詞根poly(意為“很多”)和morph(意為“形態”)。在C ++程序設計中，多態性是指具有不同功能的函數可以用同一個函數名，這樣就可以用一個函數名調用不同內容的函數。在面向對象方法中一般是這樣表述多態性的：向不同的對象發送同一個消息， 不同的對象在接收時會產生不同的行為(即方法)。也就是說，每個對象可以用自己的方式去響應共同的消息。所謂消息，就是調用函數，不同的行為就是指不同的實現，即執行不同的函數。

其實，我們已經多次接觸過多態性的現象，例如函數的重載、運算符重載都是多態現象。只是那時沒有用到多態性這一專門術語而已。例如，使用運算符“+”使兩個數值相加，就是發送一個消息，它要調用operator +函數。實際上，整型、單精度型、雙精度型的加法操作過程是互不相同的，是由不同內容的函數實現的。顯然，它們以不同的行為或方法來響應同一消息。

在現實生活中可以看到許多多態性的例子。如學校校長向社會發布一個消息：9月1日新學年開學。不同的對象會作出不同的響應：學生要準備好課本準時到校上課;家長要籌集學費;教師要備好課;后勤部門要準備好教室、宿舍和食堂……由于事先對各種人的任務已作了規定，因此，在得到同一個消息時，各種人都知道自己應當怎么做，這就是 多態性。可以設想，如果不利用多態性，那么校長就要分別給學生、家長、教師、后勤部門等許多不同的對象分別發通知，分別具體規定每一種人接到通知后應該怎么做。顯然這是一件十分復雜而細致的工作。一人包攬一切，吃力還不討好。現在，利用了多態性機制，校長在發布消息時，不必一一具體考慮不同類型人員是怎樣執行的。至于各類人員在接到消息后應氣做什么，并不是臨時決定的，而是學校的工作機制事先安排決定好的。校長只需不斷發布各種消息，各種人員就會按預定方案有條不紊地工作。

同樣，在C++程序設計中，在不同的類中定義了其響應消息的方法，那么使用這些類 時，不必考慮它們是什么類型，只要發布消息即可。正如在使用運算符“ ”時不必考慮相加的數值是整型、單精度型還是雙精度型，直接使用“+”，不論哪類數值都能實現相加。可以說這是以不變應萬變的方法，不論對象千變萬化，用戶都是用同一形式的信息去調用它們，使它們根據事先的安排作出反應。

從系統實現的角度看，多態性分為兩類：靜態多態性和動態多態性。以前學過的函數重載和運算符重載實現的多態性屬于靜態多態性，在程序編譯時系統就能決定調用的是哪個函數，因此靜態多態性又稱編譯時的多態性。靜態多態性是通過函數的重載實現的(運算符重載實質上也是函數重載)。動態多態性是在程序運行過程中才動態地確定操作所針對的對象。它又稱運行時的多態性。動態多態性是通過虛函數(Virtual fiinction)實現的。

下面是一個承上啟下的例子。一方面它是有關繼承和運算符重載內容的綜合應用的例子，通過這個例子可以進一步融會貫通前面所學的內容，另一方面又是作為討論多態性的一個基礎用例。

希望大家耐心、深入地閱讀和消化這個程序，弄清其中的每一個細節。

[例] 先建立一個Point(點)類，包含數據成員x,y(坐標點)。以它為基類，派生出一個Circle(圓)類，增加數據成員r(半徑)，再以Circle類為直接基類，派生出一個Cylinder(圓柱體)類，再增加數據成員h(高)。要求編寫程序，重載運算符“<<”和“>>”，使之能用于輸出以上類對象。

這個例題難度不大，但程序很長。對于一個比較大的程序，應當分成若干步驟進行。先聲明基類，再聲明派生類，逐級進行，分步調試。

1) 聲明基類Point

類可寫出聲明基類Point的部分如下：

1. #include <iostream> 
2. //聲明類Point 
3. class Point 
4. { 
5. public: 
6. Point(float x=0,float y=0); //有默認參數的構造函數 
7. void setPoint(float ,float); //設置坐標值 
8. float getX( )const {return x;} //讀x坐標 
9. float getY( )const {return y;} //讀y坐標 
10. friend ostream & operator <<(ostream &,const Point &); //重載運算符“<<” 
11. protected: //受保護成員 
12. float x, y; 
13. }; 
14. //下面定義Point類的成員函數 
15. Point::Point(float a,float b) //Point的構造函數 
16. { //對x,y初始化 
17. x=a; 
18. y=b; 
19. } 
20. void Point::setPoint(float a,float b) //設置x和y的坐標值 
21. { //為x,y賦新值 
22. x=a; 
23. y=b; 
24. } 
25. //重載運算符“<<”，使之能輸出點的坐標 
26. ostream & operator <<(ostream &output, const Point &p) 
27. { 
28. output<<"["<<p.x<<","<<p.y<<"]"<<endl; 
29. return output; 
30. } 

以上完成了基類Point類的聲明。

為了提高程序調試的效率，提倡對程序分步調試，不要將一個長的程序都寫完以后才統一調試，那樣在編譯時可能會同時出現大量的編譯錯誤，面對一個長的程序，程序人員往往難以迅速準確地找到出錯位置。要善于將一個大的程序分解為若干個文件，分別編譯，或者分步調試，先通過最基本的部分，再逐步擴充。

現在要對上面寫的基類聲明進行調試，檢查它是否有錯，為此要寫出main函數。實際上它是一個測試程序。

1. int main( ) 
2. { 
3. Point p(3.5,6.4); //建立Point類對象p 
4. cout<<"x="<<p.getX( )<<",y="<<p.getY( )<<endl; //輸出p的坐標值 
5. p.setPoint(8.5,6.8); //重新設置p的坐標值 
6. cout<<"p(new):"<<p<<endl; //用重載運算符“<<”輸出p點坐標 
7. return 0; 
8. } 

getX和getY函數聲明為常成員函數，作用是只允許函數引用類中的數據，而不允許修改它們，以保證類中數據的安全。數據成員x和y聲明為protected，這樣可以被派生類訪問(如果聲明為private，派生類是不能訪問的)。

程序編譯通過，運行結果為：

1. x=3.5,y=6.4 
2. p(new):[8.5,6.8] 

測試程序檢查了基類中各函數的功能，以及運算符重載的作用，證明程序是正確的。

2)聲明派生類Circle

在上面的基礎上，再寫出聲明派生類Circle的部分：

1. class Circle:public Point //circle是Point類的公用派生類 
2. { 
3. public: 
4. Circle(float x=0,float y=0,float r=0); //構造函數 
5. void setRadius(float ); //設置半徑值 
6. float getRadius( )const; //讀取半徑值 
7. float area ( )const; //計算圓面積 
8. friend ostream &operator <<(ostream &,const Circle &); //重載運算符“<<” 
9. private: 
10. float radius; 
11. }; 
12. //定義構造函數，對圓心坐標和半徑初始化 
13. Circle::Circle(float a,float b,float r):Point(a,b),radius(r){} 
14. //設置半徑值 
15. void Circle::setRadius(float r){radius=r;} 
16. //讀取半徑值 
17. float Circle::getRadius( )const {return radius;} 
18. //計算圓面積 
19. float Circle::area( )const 
20. { 
21. return 3.14159*radius*radius; 
22. } 
23. //重載運算符“<<”，使之按規定的形式輸出圓的信息 
24. ostream &operator <<(ostream &output,const Circle &c) 
25. { 
26. output<<"Center=["<<c.x<<","<<c.y<<"],r="<<c.radius<<",area="<<c.area( )<<endl; 
27. return output; 
28. } 

為了測試以上Circle類的定義，可以寫出下面的主函數：

1. int main( ) 
2. { 
3. Circle c(3.5,6.4,5.2); //建立Circle類對象c，并給定圓心坐標和半徑 
4. cout<<"original circle://nx="<<c.getX()<<", y="<<c.getY()<<", r="<<c.getRadius( )<<", area="<<c.area( )<<endl; //輸出圓心坐標、半徑和面積 
5. c.setRadius(7.5); //設置半徑值 
6. c.setPoint(5,5); //設置圓心坐標值x,y 
7. cout<<"new circle://n"<<c; //用重載運算符“<<”輸出圓對象的信息 
8. Point &pRef=c; //pRef是Point類的引用變量，被c初始化 
9. cout<<"pRef:"<<pRef; //輸出pRef的信息 
10. return 0; 
11. } 

程序編譯通過，運行結果為：

1. original circle:(輸出原來的圓的數據) 
2. x=3.5, y=6.4, r=5.2, area=84.9486 
3. new circle:(輸出修改后的圓的數據) 
4. Center=[5,5], r=7.5, area=176.714 
5. pRef:[5,5] (輸出圓的圓心“點”的數據) 

可以看到，在Point類中聲明了一次運算符“ <<”重載函數，在Circle類中又聲明了一次運算符“ <<”，兩次重載的運算符“<<”內容是不同的，在編譯時編譯系統會根據輸出項的類型確定調用哪一個運算符重載函數。main函數第7行用“cout<< ”輸出c，調用的是在Circle類中聲明的運算符重載函數。

請注意main函數第8行：

1. Point & pRef = c; 

定義了 Point類的引用變量pRef，并用派生類Circle對象c對其初始化。前面我們已經講過，派生類對象可以替代基類對象為基類對象的引用初始化或賦值(詳情請查看：C++基類與派生類的轉換)。現在 Circle是Point的公用派生類，因此，pRef不能認為是c的別名，它得到了c的起始地址， 它只是c中基類部分的別名，與c中基類部分共享同一段存儲單元。所以用“cout<

3) 聲明Circle的派生類Cylinder

前面已從基類Point派生出Circle類，現在再從Circle派生出Cylinder類。

1. class Cylinder:public Circle// Cylinder是Circle的公用派生類 
2. { 
3. public: 
4. Cylinder (float x=0,float y=0,float r=0,float h=0); //構造函數 
5. void setHeight(float ); //設置圓柱高 
6. float getHeight( )const; //讀取圓柱高 
7. loat area( )const; //計算圓表面積 
8. float volume( )const; //計算圓柱體積 
9. friend ostream& operator <<(ostream&,const Cylinder&); //重載運算符<< 
10. protected: 
11. float height;//圓柱高 
12. }; 
13. //定義構造函數 
14. Cylinder::Cylinder(float a,float b,float r,float h):Circle(a,b,r),height(h){} 
15. //設置圓柱高 
16. void Cylinder::setHeight(float h){height=h;} 
17. //讀取圓柱高 
18. float Cylinder::getHeight( )const {return height;} 
19. //計算圓表面積 
20. float Cylinder::area( )const { return 2*Circle::area( )+2*3.14159*radius*height;} 
21. //計算圓柱體積 
22. float Cylinder::volume()const {return Circle::area()*height;} 
23. ostream &operator <<(ostream &output,const Cylinder& cy) 
24. { 
25. output<<"Center=["<<cy.x<<","<<cy.y<<"],r="<<cy.radius<<",h="<<cy.height <<"//narea="<<cy.area( )<<", volume="<<cy.volume( )<<endl; 
26. return output; 
27. } //重載運算符“<<” 

可以寫出下面的主函數：

1. int main( ) 
2. { 
3. Cylinder cy1(3.5,6.4,5.2,10);//定義Cylinder類對象cy1 
4. cout<<"//noriginal cylinder://nx="<<cy1.getX( )<<", y="<<cy1.getY( )<<", r=" 
5. <<cy1.getRadius( )<<", h="<<cy1.getHeight( )<<"//narea="<<cy1.area() 
6. <<",volume="<<cy1.volume()<<endl;//用系統定義的運算符“<<”輸出cy1的數據 
7. cy1.setHeight(15);//設置圓柱高 
8. cy1.setRadius(7.5);//設置圓半徑 
9. cy1.setPoint(5,5);//設置圓心坐標值x,y 
10. cout<<"//nnew cylinder://n"<<cy1;//用重載運算符“<<”輸出cy1的數據 
11. Point &pRef=cy1;//pRef是Point類對象的引用變量 
12. cout<<"//npRef as a Point:"<<pRef;//pRef作為一個“點”輸出 
13. Circle &cRef=cy1;//cRef是Circle類對象的引用變量 
14. cout<<"//ncRef as a Circle:"<<cRef;//cRef作為一個“圓”輸出 
15. return 0; 
16. } 

運行結果如下:

1. original cylinder:(輸出cy1的初始值) 
2. x=3.5, y=6.4, r=5.2, h=10 (圓心坐標x,y。半徑r，高h) 
3. area=496.623, volume=849.486 (圓柱表面積area和體積volume) 
4. new cylinder: (輸出cy1的新值) 
5. Center=[5,5], r=7.5, h=15 (以[5,5]形式輸出圓心坐標) 
6. area=1060.29, volume=2650.72(圓柱表面積area和體積volume) 
7. pRef as a Point:[5,5] (pRef作為一個“點”輸出) 
8. cRef as a Circle:Center=[5,5], r=7.5, area=176.714(cRef作為一個“圓”輸出) 

說明：在Cylinder類中定義了 area函數，它與Circle類中的area函數同名，根據前面我們講解的同名覆蓋的原則(詳情請查看：C++多重繼承的二義性問題)，cy1.area( ) 調用的是Cylinder類的area函數(求圓柱表面積)，而不是Circle類的area函數(圓面積)。請注意，這兩個area函數不是重載函數，它們不僅函數名相同，而且函數類型和參數個數都相同，兩個同名函數不在同 —個類中，而是分別在基類和派生類中，屬于同名覆蓋。重載函數的參數個數和參數類型必須至少有一者不同，否則系統無法確定調用哪一個函數。

main函數第9行用“cout<

main函數中最后4行的含義與在定義Circle類時的情況類似。pRef是Point類的引用變量，用cy1對其初始化，但它不是cy1的別名，只是cy1中基類Point部分的別名，在輸出pRef時是作為一個Point類對象輸出的，也就是說，它是一個“點”。同樣，cRef是Circle類的引用變量，用cy1對其初始化，但它只是cy1中的直接基類Circle部分的別名， 在輸出 cRef 時是作為Circle類對象輸出的，它是一個"圓”，而不是一個“圓柱體”。從輸 出的結果可以看出調用的是哪個運算符函數。

在本例中存在靜態多態性，這是運算符重載引起的(注意3個運算符函數是重載而不是同名覆蓋，因為有一個形參類型不同)。可以看到，在編譯時編譯系統即可以判定應調用哪個重載運算符函數。