C++多态及静态联编和动态联编

痛定思痛。 2022-03-24 18:28 166阅读 0赞

> 程序调用函数时，将使用哪个可执行代码块呢?  
> 编译器负责回答这个问题。将源代码中的函数调用解释为执行特定的函数代码块被称为函数名联编(binding)。 在C语言中，这非常简单，因为每个函数名都对应一个不同的函数。在C++中，由于函数重载的缘故，这项任务更复杂。编译器必须查看**函数参数**以及**函数名**才能确定使用哪个函数。然而，C/C++编译器可以在编译过程完成这种联编。*在编译过程中进行联编被称为静态联编(static binding),又称为早期联编(eanly bnding)。* 然而，虚函数使这项工作变得更因难。使用哪个函数是不能在编译时确定的，因为编译器不知道用户将选择哪种类型的对象。所以，*编译器必须生成能够在程序运行时选择正确的虚方法的代码，这被称为动态联编(dynamic binding),又称为晚期联编(late binding)。*

下面的实例中，基类 Shape 被派生为两个类，如下所示：

#include <iostream> 
    using namespace std;
     
    class Shape { 
       protected:
          int width, height;
       public:
          Shape( int a=0, int b=0)
          { 
             width = a;
             height = b;
          }
          int area()
          { 
             cout << "Parent class area :" <<endl;
             return 0;
          }
    };
    class Rectangle: public Shape{ 
       public:
          Rectangle( int a=0, int b=0):Shape(a, b) {  }
          int area ()
          {  
             cout << "Rectangle class area :" <<endl;
             return (width * height); 
          }
    };
    class Triangle: public Shape{ 
       public:
          Triangle( int a=0, int b=0):Shape(a, b) {  }
          int area ()
          {  
             cout << "Triangle class area :" <<endl;
             return (width * height / 2); 
          }
    };
    // 程序的主函数
    int main( )
    { 
       Shape *shape;
       Rectangle rec(10,7);
       Triangle  tri(10,5);
     
       // 存储矩形的地址
       shape = &rec;
       // 调用矩形的求面积函数 area
       shape->area();
     
       // 存储三角形的地址
       shape = &tri;
       // 调用三角形的求面积函数 area
       shape->area();
       
       return 0;
    }

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

> Parent class area  
> Parent class area

这并不是我们想要的多态，也没有调我们想要的函数，是为什么呢？？？  
导致错误输出的原因是，调用函数 area() 被编译器设置为基类中的版本，这就是所谓的静态联编，或静态链接 ------ 函数调用在程序执行前就准备好了。有时候这也被称为早绑定，因为 area() 函数在程序编译期间就已经设置好了。  
所以C++引入虚函数，让其静态联编变为动态联编。也就是说在编译阶段编译器无法确定该调那个函数，只能在运行时确定。

让我们对以上程序稍作修改，在 Shape 类中，area() 的声明前放置关键字 virtual，如下所示：

class Shape { 
       protected:
          int width, height;
       public:
          Shape( int a=0, int b=0)
          { 
             width = a;
             height = b;
          }
          virtual int area()
          { 
             cout << "Parent class area :" <<endl;
             return 0;
          }
    };

修改后，当编译和执行前面的实例代码时，它会产生以下结果：

> Rectangle class area  
> Triangle class area

此时，编译器看的是指针的内容，而不是它的类型。因此，由于 tri 和 rec 类的对象的地址存储在 \*shape 中，所以会调用各自的 area() 函数。从而实现了多态。

正如您所看到的，每个子类都有一个函数 area() 的独立实现。这就是多态的一般使用方式。有了多态，您可以有多个不同的类，都带有同一个名称但具有不同实现的函数，函数的参数甚至可以是相同的。

**虚函数**  
虚函数是在基类中使用关键字 virtual 声明的函数，派生类重写（覆盖）时可加关键字virtual也可不加。在派生类中重新定义基类中定义的虚函数时，会告诉编译器不要静态链接到该函数。我们想要的是在程序中任意点可以根据所调用的对象类型来选择调用的函数，这种操作被称为动态链接，或后期绑定。

**纯虚函数**  
您可能想要在基类中定义虚函数，但是您在基类中又不能对虚函数给出有意义的实现，这个时候就会用到纯虚函数。*在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数。*

我们可以把基类中的虚函数 area() 改写如下：

class Shape { 
       protected:
          int width, height;
       public:
          Shape( int a=0, int b=0)
          { 
             width = a;
             height = b;
          }
          // pure virtual function
          virtual int area() = 0;
    };

这里 = 0 告诉编译器，函数没有主体，上面的虚函数是纯虚函数。

**抽象类**  
包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口类），*抽象类不能实例化出对象*。派生类继承后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，派生类才能实例化出对象。纯虚函数规范了派生类必须重写，另外纯虚函数更体现出了接口继承。

> 补充：  
> c++11中override 和 final 来修饰虚函数  
> 使用纯虚函数+ overrid的方式来强制重写虚函数、  
> final 修饰基类的虚函数不能被派生类重写

**小结一下**  
多态的实现结合了虚函数，让编译器在编译阶段无法进行联编，只能在运行阶段联编，从而实现多态。