第16章 虛擬與多形 16-1 虛擬函數 16-2 純虛擬函數與抽象類別 16-3 多形 16-4 虛擬繼承與虛擬解構子.

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1 第16章 虛擬與多形 16-1 虛擬函數 16-2 純虛擬函數與抽象類別 16-3 多形 16-4 虛擬繼承與虛擬解構子

2 16-1 虛擬函數 父類別的指標 虛擬函數

3 父類別的指標 C++語言的父類別指標可以指向其子類別的物件。例如：shape類別是triangle的父類別，我們可以宣告物件變數和指標，如下所示： shape s; triangle t; shape *p; 程式碼宣告shape和triangle物件變數s和t，和shape父類別的指標p，父類別的指標不只可以指向s，也可以指向子類別的物件t，如下所示： p = &s; p = &t;

4 虛擬函數-說明 在C++語言類別的「虛擬函數」（Virtual Functions）是使用virtual關鍵字進行宣告的成員函數。 當我們在類別宣告虛擬函數，其主要目的是讓繼承的子類別可以覆寫此函數，以便建立動態連結（Dynamic Binding）的函數呼叫，在本節後和第16-3-1節有進一步說明。

5 虛擬函數-注意事項 事實上，虛擬函數就是建立第16-2節的抽象類別和第16-3節多形的基本觀念。在類別宣告虛擬函數的注意事項，如下所示： 虛擬函數是類別的成員函數。 虛擬函數可以宣告成朋友函數。 虛擬函數不可以是類別的靜態成員。

6 16-1-2 虛擬函數-宣告虛擬函數 在C++類別是使用virtual關鍵字來宣告虛擬函數。例如：shape的父類別，如下所示：
class shape { public: double x, y; shape(double x, double y) { this->x = x; this->y = y; } virtual double area() { return 0; } };

7 虛擬函數-覆寫虛擬函數 當我們繼承shape類別時，就可以覆寫虛擬函數，例如：宣告circle類別繼承shape類別，如下所示： class circle : public shape { public: double r; circle(double x, double y, double r) : shape(x, y) { this->r = r; } double area() { return (3.1416*r*r); } };

8 虛擬函數-呼叫虛擬函數 父類別的物件指標允許指向子類別的物件，以此例，circle也是一種shape類別，所以shape可以指向circle物件，如下所示： shape *c2 = new circle(10.0, 10.0, 7.0); 虛擬函數可以建立動態連結（Dynamic Binding），它和其他成員函數的差異在：當使用物件指標c2呼叫area()函數時，因為area()是虛擬函數，而且c2實際指向的是circle物件，所以實際呼叫的是circle物件的area()成員函數，而不是shape型態的函數，如下所示： c2->area();

9 16-1-2 虛擬函數-dynamic_cast運算子
不只如此，因為shape類別的物件變數c2雖然指向circle物件，但是它並不能呼叫或存取子類別新增的成員變數和函數（不包含覆寫的虛擬函數），我們需要先使用dynamic_cast運算子型態（詳見第15-6節的說明）迫換成circle類別的物件變數，如下所示： circle *c; c = dynamic_cast<circle *>(c2);

10 16-2 純虛擬函數與抽象類別-什麼是抽象類別 「抽象類別」（Abstract Class）是一種不能完全代表物件的類別，換句話說，它並不能建立物件，其主要的目是作為類別繼承的父類別，用來定義一些子類別的共同部分。 抽象類別並不能建立物件，只能被繼承用來建立子類別。例如：哺乳類動物的分類，如下圖所示：

11 16-2 純虛擬函數與抽象類別-宣告抽象類別 在C++語言宣告抽象類別是包含純虛擬函數的類別，例如：mammal抽象類別宣告，如下所示：
class mammal { public: virtual void show() = 0; }; 類別宣告之所以是抽象類別，因為它包含名為show()的「純虛擬函數」（Pure Virtual Functions），如下所示：

12 16-2 純虛擬函數與抽象類別-抽象類別的特點 在抽象類別宣告至少擁有一個純虛擬函數。
抽象類別不能建立物件，可以建立物件的類別稱為「具體類別」（Concrete Classes）。抽象類別只能作為父類別，被繼承用來建立子類別。 抽象類別可以建立物件指標，然後繼承抽象類別實作純虛擬函數來實作多形，詳細的說明請參閱第16-3節。 繼承抽象類別的子類別一定需要實作純虛擬函數。

13 16-3 多形 多形的基礎 多形的實作

14 16-3-1 多形的基礎-說明 物件導向的過載與多形機制是架構在訊息和物件的連結，其說明如下所示：
靜態連結（Static Binding）：訊息在編譯階段，就決定其送往的目標物件。例如：Ch16_2.cpp程式範例第36列的m.show()是在編譯時就建立訊息和物件的連結，也稱為「早期連結」（Early Binding）。 動態連結（Dynamic Binding）：訊息是直到執行階段，才知道訊息送往的目標物件，例如：Ch16_2.cpp程式範例第35列的mm->show()，物件指標mm是在執行時才知道是哪一個物件，這就是多形擁有彈性的主要原因，也稱為「延遲連結」（Late Binding）。

15 多形的基礎-圖例 「多形」（Polymorphism）可以針對同一個訊息（Message），而讓不同物件擁有不同的反應，也就是同一個名稱擁有不同的操作。因為在人類的思維中，對於同一種工作，就算對象不同，也會使用同名的操作，如下圖所示：

16 多形的實作-抽象類別的宣告 多形觀念可以讓類別需要處理新的資料型態時，也只需新增繼承的子類別來實作多形的虛擬函數即可。例如：抽象類別shape宣告如下所示： class shape { protected: double x, y; public: shape(double x, double y) { this->x = x; this->y = y; } virtual void area() = 0; };

17 16-3-2 多形的實作-繼承抽象類別 class circle : public shape { private: double r;
circle(double x, double y, double r): shape(x, y) { … } void area() { cout << "圓面積: " << *r*r << endl; } }; class rectangle : public shape { rectangle(double x, double y) : shape(x, y) { } void area() { cout << "長方形面積: " << x*y << endl; } class triangle : public shape { triangle(double x, double y) : shape(x, y) {} void area() { cout << "三角形面積: " << x*y/2 << endl; }

18 16-3-2 多形的實作-實作多形 宣告shape類別的物件指標s，如下所示： shape *s;
物件指標s能夠用來指向circle、rectangle和triangle物件，然後呼叫物件的虛擬函數area()，如下所示： s->area(); 呼叫會依照物件指標s指向的物件，呼叫正確的虛擬函數，例如：如果s指向rectangle物件，就會呼叫rectangle物件的area()虛擬函數。 area()虛擬函數是多形。多形函數在執行時，會依照實際指向物件來執行正確的虛擬函數。

19 16-4 虛擬繼承與虛擬解構子-虛擬繼承(說明1)
虛擬繼承可以解決多重繼承所產生記憶體浪費和存取混淆的問題。UML圖的左邊是一般C++的多重繼承，右邊是虛擬繼承所建立的多重繼承，如下圖所示：

20 16-4 虛擬繼承與虛擬解構子-虛擬繼承(說明2)
類別Car和Rocket是繼承自Vehicle類別，多重繼承的RocketCar類別因為是以值方式來建立繼承，在子類別物件會包含一份父類別的物件，換句話說，RocketCar共繼承二份Vehicle類別的物件，一是從Car、另一是從Rocket類別所繼承。 如果子類別沒有覆寫Vehicle類別的setSpeed()和getSpeed()成員函數，在存取時就會產生混淆，因為不知函數是從Car方向繼承，還是從Rocket方向所繼承。

21 16-4 虛擬繼承與虛擬解構子-虛擬繼承(說明3)
虛擬繼承不同於一般的C++繼承，它是以指標參考方式來建立繼承，如上述圖例的右邊，只會建立一個Vehicle父類別的物件，Car和Rocket繼承的都是參考同一份父類別的物件。

22 16-4 虛擬繼承與虛擬解構子-虛擬繼承(範例)
虛擬繼承的建立只是在繼承宣告時加上virtual關鍵字，如下所示： class car : virtual public vehicle { ……… }; class rocket : virtual public vehicle {

23 16-4 虛擬繼承與虛擬解構子-虛擬解構子 虛擬解構子是配合虛擬函數來解決類別不正常解構過程，所造成記憶體無法釋回的問題。
虛擬解構子可以解決此問題，我們只需將vehicle類別的解構子改為虛擬解構子即可，如下所示： virtual ~vehicle() { ……… } 上述程式碼在解構子前加上virtual關鍵字，表示是虛擬解構子。