本课件为教师郭炜参加北京市青年教师小教学基本功比赛时制作，当时获得理工组三等奖。其内容为北京大学本科生主干必修课“程序设计实习”中的一节。

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1 本课件为教师郭炜参加北京市青年教师小教学基本功比赛时制作，当时获得理工组三等奖。其内容为北京大学本科生主干必修课“程序设计实习”中的一节。
程序设计实习2007   本课件为教师郭炜参加北京市青年教师小教学基本功比赛时制作，当时获得理工组三等奖。其内容为北京大学本科生主干必修课“程序设计实习”中的一节。

2 程序设计实习2007 第十六讲 虚函数和多态 http://ai.pku.edu.cn/cpp2007

3 程序设计实习2007 内容提要 问题的提出 虚函数和多态 纯虚函数和抽象类 初始问题的解决 多态的实质 多态应用的其它实例 作业

4 问题的提出 回顾上次课的作业 编写一个程序计算任给一个几何形体的面积和周长。 几何形体可以是矩形、三角形、圆形、扇形、梯形。 要求：
程序设计实习2007 问题的提出 回顾上次课的作业 编写一个程序计算任给一个几何形体的面积和周长。 几何形体可以是矩形、三角形、圆形、扇形、梯形。 要求： 1．  提示用户选择图形种类; 根据不同种类提示用户输入图形参数; 给出输入图形的面积和周长

5 作业的样例程序(假设只有矩形和圆形) class CRectangle { private: int x1,y1,x2,y2;
程序设计实习2007 作业的样例程序(假设只有矩形和圆形) class CRectangle { private: int x1,y1,x2,y2; public : int calcArea(); int calcLength(); friend ostream& operator << (ostream & output, CRectangle & rect); friend istream& operator >> (istream & input, CRectangle & rect); };

6 int CRectangle::calcArea(){ return (x2-x1)*(y2-y1); }
程序设计实习2007 int CRectangle::calcArea(){ return (x2-x1)*(y2-y1); } int CRectangle::calcLength(){ return 2*(x2-x1+y2-y1); ostream& operator << (ostream & output, CRectangle & rect){ output << "面积 = " << rect.calcArea() << ", 周长 = " << rect.calcLength() << endl; return output;

7 istream& operator >> (istream & input, CRectangle & rect){
程序设计实习2007 istream& operator >> (istream & input, CRectangle & rect){ rect.x1 = rect.y1 = rect.x2 = rect.y2 = -1; while(rect.x1==-1){ cout <<"\n请输入左上角（x1,y1）和右下角坐标(x2,y2)"; cout << endl; cout <<"要求x1,y1,x2,y2 都是非负整数并且x1<x2,y1<y2"; cout << "例如：输入 表示 左上角（5，6）"; cout << "右下角（7，8）" << endl; cin >> rect.x1 >> rect.y1 >> rect.x2 >> rect.y2; if(rect.x1<0 || rect.y1<0 || rect.x2<0 || rect.y2<0 || rect.x1>=rect.x2 || rect.y1>=rect.y2){ rect.x1 = rect.y1 = rect.x2 = rect.y2 = -1; continue; } return input;

8 int centerx ,centery, radius; public : int calcArea();
程序设计实习2007 class CCircle { private: int centerx ,centery, radius; public : int calcArea(); int calcLength(); friend ostream& operator << (ostream & output, CCircle & tri); friend istream& operator >> (istream & input, CCircle & cir); };

9 int CCircle::calcArea(){ return (int)(radius*radius*3.1415926); }
程序设计实习2007 int CCircle::calcArea(){ return (int)(radius*radius* ); } int CCircle::calcLength(){ return (int)(2*radius* ); ostream& operator << (ostream & output, CCircle & cir){ output << "面积 = " << cir.calcArea() << ", 周长 = " << cir.calcLength() << endl; return output;

10 istream& operator >> (istream & input, CCircle & cir){
程序设计实习2007 istream& operator >> (istream & input, CCircle & cir){ cir.centerx = cir.centery = cir.radius = -1; while(cir.centerx==-1){ cout <<"\n请输入圆心（x1,y1）和半径 r" << endl; cout <<"要求x1,y1,r 都是非负整数" << endl; cout << "例如：输入5 6 7 表示圆心（5，6）半径是 7 " << endl; cin >> cir.centerx >> cir.centery >> cir.radius ; if(cir.centerx<0 || cir.centery<0 || cir.radius<0){ continue; } return input;

11 case 'r': CRectangle test1;
程序设计实习2007 void main(){ char choice; cout << "请选择图形：（R - Rectangle; C - Circle; E - 结束）" << endl; cin >> choice; while(choice != 'E'){ switch(choice) { case 'R': case 'r': CRectangle test1; cin >> test1; cout << test1; break; case ‘C': case ‘c': CCircle test2; cin >> test2; cout << test2; break; } }// while

12 问题 现在要记住所有输入的几何图形，并按输入顺序输出它们的面积、周长及输入参数。 怎么改造原有的程序呢？
程序设计实习2007 问题 现在要记住所有输入的几何图形，并按输入顺序输出它们的面积、周长及输入参数。 怎么改造原有的程序呢？ 每种图形分别放在各自数组中并记录每个图形的输入序号，输出时不停地在各个数组中查找 今天要介绍虚函数和多态的方法可以更好地解决这个问题。

13 一、 虚函数 在类的定义中，前面有 virtual 关键字的成员函数就是虚函数。 class base {
程序设计实习2007 一、 虚函数 在类的定义中，前面有 virtual 关键字的成员函数就是虚函数。 class base { virtual int get() ; } int base::get() { virtual 关键字只用在类定义里的函数声明中，写函数体时不用。

14 程序设计实习2007 二、 多态的基本概念 派生类的指针可以赋给基类指针。 通过基类指针调用基类和派生类中的同名虚函数时，若该指针指向一个基类的对象，那么被调用是基类的虚函数，如果该指针指向一个派生类的对象，那么被调用的是派生类的虚函数。这种机制就叫做“多态”。例 CBase * p = &ODerived; p -> SomeVirtualFunction();

15 程序设计实习2007 派生类的对象可以赋给基类引用。 通过该基类引用调用基类和派生类中的同名虚函数时，若该引用引用的是一个基类的对象，那么被调用是基类的虚函数，如果引用的是一个派生类的对象，那么被调用的是派生类的虚函数。这种机制也叫 “多态”。例： CBase & r = ODerived; r.SomeVirtualFunction(); “多态”就是指上述这两种机制

16 三、 多态的例子 class A { public :
程序设计实习2007 三、 多态的例子 class A { public : virtual void Print( ) { cout << “A::Print”<<endl ; } }; class B:public A { virtual void Print( ) { cout << “B::Print” <<endl; } class D: public A { public: virtual void Print( ) { cout << “D::Print” << endl ; } class E: public B { virtual void Print( ) { cout << “E::Print” << endl ; }

17 A * pa; B * pb; D * pd ; E * pe; A a; B b; E e; D d;
程序设计实习2007 main() { A * pa; B * pb; D * pd ; E * pe; A a; B b; E e; D d; pb = & b; pd = & d; pe = & e; pa = & a; pa->Print(); // a.Print()被调用，输出：A::Print pa = pb; 　　//　派生类指针赋值给基类指针 pa -> Print(); 　// b.Print()被调用，输出：Ｂ::Print pa = pd; pa -> Print(); // d. Print ()被调用,输出：D::Print pa = pe; pa -> Print() ; // e.Print () 被调用,输出：E::Print }

18 程序设计实习2007 四、 动态联编： 一条函数调用语句在编译时无法确定调用哪个函数，运行到该语句时才确定调用哪个函数，这种机制叫动态联编。

19 class A {public: virtual void Get(); };
程序设计实习2007 多态是通过动态联编实现的： class A {public: virtual void Get(); }; class B : public A { public: virtual void Get(); }; void MyFunction( A * pa ) { pa->Get(); } pa->Get() 调用的是 A::Get()还是B::Get(),编译时无法确定，因为不知道MyFunction被调用时，形参会对应于一个 A 对象还是B对象。 所以只能等程序运行到 pa->Get（）了，才能决定到底调用哪个Get()

20 五、 普通函数调用虚函数实现多态 class Base { public: void fun1() { fun2(); }
程序设计实习2007 五、 普通函数调用虚函数实现多态 class Base { public: void fun1() { fun2(); } virtual void fun2() { cout << "Base::fun2()" << endl; } }; class Derived:public Base { virtual void fun2() { cout << "Derived:fun2()" << endl; } main() { Derived d; Base * pBase = & d; pBase -> fun1();　　// 输出： Derived:fun2()

21 调用的次序是：Base::fun1() -> Derived::fun2(); 因为 void fun1() { fun2(); }
程序设计实习2007 调用的次序是：Base::fun1() -> Derived::fun2(); 因为 void fun1() { fun2(); } 相当于 this->fun2(); 编译这个函数的代码的时候，由于fun2()是虚函数，this是基类指针，所以是动态联编 上面这个程序运行到fun1函数中时， this指针指向的是d ,所以经过动态联编，调用的是Derived::fun2()

22 六. 纯虚函数和抽象类 纯虚函数： 没有函数体的虚函数 class A { private: int a; public:
程序设计实习2007 六. 纯虚函数和抽象类 纯虚函数： 没有函数体的虚函数 class A { private: int a; public: virtual void Print( ) =0 ; //纯虚函数 void fun() { cout << “fun”; } }; 包含纯虚函数的类叫抽象类 抽象类只能作为基类来派生新类使用，不能创建抽象类的对象 抽象类的指针和引用可以指向由抽象类派生出来的类的对象 A a ; // 错，A 是抽象类，不能创建对象 A * pa ; // ok,可以定义抽象类的指针和引用 pa = new A ; //错误, A 是抽象类，不能创建对象

23 前面提出问题的解 问题是如何将输入的不同图形按顺序存储并输出
程序设计实习2007 前面提出问题的解 问题是如何将输入的不同图形按顺序存储并输出 解决方案：定义矩形和圆形的父类CShape, 将求面积，求周长，输出面积、周长和参数的函数定义为CShape中的纯虚函数，分别在矩形和圆形的类中给出函数的实现； 将输入的对象指针依次插入CShape 类的对象指针数组，通过多态实现对这些图形的遍历输出。

24 virtual int calcArea()=0; virtual int calcLength()=0;
程序设计实习2007 class CShape{ public: virtual int calcArea()=0; virtual int calcLength()=0; virtual void print()=0; };

25 class CRectangle:public CShape { private: int x1,y1,x2,y2; public :
程序设计实习2007 class CRectangle:public CShape { private: int x1,y1,x2,y2; public : friend istream& operator >> (istream & input, CRectangle & rect); int calcArea(){ return (x2-x1)*(y2-y1);} int calcLength(){ return 2*(x2-x1+y2-y1);} void print(){ cout << "面积 = " << calcArea() << ", 周长 = " << calcLength() << " " << " 左上角 = (" << x1 << "," << y1 << ")" << " 右下角 = (" << x2 << "," << y2 << ")" << endl;} };

26 istream& operator >> (istream & input, CRectangle & rect){
程序设计实习2007 istream& operator >> (istream & input, CRectangle & rect){ rect.x1 = rect.y1 = rect.x2 = rect.y2 = -1; while(rect.x1==-1){ cout <<"\n请输入左上角（x1,y1）和右下角坐标(x2,y2)" << endl; cout <<"要求x1,y1,x2,y2 都是非负整数并且x1<x2,y1<y2" << endl; cout << "例如：输入 表示 左上角（5，6）右下角（7，8）" << endl; input >> rect.x1 >> rect.y1 >> rect.x2 >> rect.y2; if(rect.x1<0 || rect.y1<0 || rect.x2<0 || rect.y2<0 || rect.x1>=rect.x2 || rect.y1>=rect.y2){ continue; } return input;

27 class CCircle:public CShape { private: int centerx ,centery, radius;
程序设计实习2007 class CCircle:public CShape { private: int centerx ,centery, radius; public : friend istream& operator >> (istream & input, CCircle & cir); int calcArea(){ return (int)(radius*radius* );} int calcLength(){ return (int)(2*radius* );} void print(){ cout << "面积 = " << calcArea() << ", 周长 = " << calcLength() << " " << "圆心 = (" << centerx << "," << centery << ")" << " 半径 =" << radius << endl; } };

28 istream& operator >> (istream & input, CCircle & cir){
程序设计实习2007 istream& operator >> (istream & input, CCircle & cir){ cir.centerx = cir.centery = cir.radius = -1; while(cir.centerx==-1){ cout <<"\n请输入圆心（x1,y1）和半径 r" << endl; cout <<"要求x1,y1,r 都是非负整数" << endl; cout << "例如：输入5 6 7 表示圆心（5，6）半径是 7 " << endl; cin >> cir.centerx >> cir.centery >> cir.radius ; if(cir.centerx<0 || cir.centery<0 || cir.radius<0){ continue; } return input;

29 CShape *shapes[100]; int nShapes; nShapes = 0; char choice;
程序设计实习2007 void main(){ CShape *shapes[100]; int nShapes; nShapes = 0; char choice; cout << "请选择图形：（R - Rectangle; C - Circle; E - 结束）" << endl; cin >> choice; while(choice !='E' && choice !='e'){ if(choice == 'R' || choice=='r'){ CRectangle *test1 = new CRectangle; cin >> *test1; test1 -> print(); shapes[nShapes++]=test1; }else if(choice == ‘C' || choice==‘c'){ CCircle *test2 = new CCircle;; cin >> *test2; test2 -> print(); shapes[nShapes++]=test2; } cout << "请选择：（R - Rectangle; C - Circle; E - 结束）" << endl; }// while for(int i=0;i<nShapes;i++){ shapes[i]->print(); delete shapes[i]; }

30 程序设计实习2007 多态的实质 将几个有类似行为的类的共同部分抽象成一个共同父类，并把这些类似行为的接口定义在父类中,把他们的具体实现定义在子类中,这样就可以通过父类以相同的方式操作不同子类的对象. 多态的另一个好处是能够增强程序的可扩充性，即程序需要修改或增加功能的时候，需要改动和增加的代码较少

31 程序设计实习2007 多态增强程序可扩充性的例子 游戏《魔法门之英雄无敌》

32 游戏中有很多种怪物，每种怪物都有一个类与之对应，每个怪物就是一个对象
程序设计实习2007 类：CSoldier 类：CAngel 类：Dragon 类CPhonex 游戏中有很多种怪物，每种怪物都有一个类与之对应，每个怪物就是一个对象

33 怪物能够互相攻击，攻击敌人和被攻击时都有相应的动作，动作是通过对象的成员函数实现的
程序设计实习2007 怪物能够互相攻击，攻击敌人和被攻击时都有相应的动作，动作是通过对象的成员函数实现的

34 游戏版本升级时，要增加新的怪物－－雷鸟。如何编程才能使升级时的代码改动和增加量较小？
程序设计实习2007 　游戏版本升级时，要增加新的怪物－－雷鸟。如何编程才能使升级时的代码改动和增加量较小？ 新增类：CThunderBird

35 为每个怪物类编写 Attack、FightBack和 Hurted成员函数
不论是否用多态编程，基本思路都是： 为每个怪物类编写 Attack、FightBack和 Hurted成员函数 Attack函数表现攻击动作，攻击某个怪物,并调用被攻击怪物的 Hurted函数,以减少被攻击怪物的生命值,同时也调用被攻击怪物的 FightBack成员函数,遭受被攻击怪物反击 Hurted函数减少自身生命值，并表现受伤动作， FightBack成员函数表现反击动作，并调用被反击对象的Hurted成员函数，使被反击对象受伤 程序设计实习2007

36 int nLifeValue ; //代表生命值 public: int Attack( CWolf * pWolf) {
程序设计实习2007 １　非多态的实现方法 class CDragon { private: int nPower ; /代表攻击力 int nLifeValue ; //代表生命值 public: int Attack( CWolf * pWolf) { ．．．表现攻击动作的代码 pWolf->Hurted( nPower); pWolf->FightBack( this); } int Attack( CGhost * pGhost) { pGhost->Hurted( nPower); pGohst->FightBack( this);

37 int Hurted ( int nPower) { ．．．．表现受伤动作的代码 nLifeValue -= nPower; }
int FightBack( CWolf * pWolf) { ．．．．表现反击动作的代码 pWolf ->Hurt( nPower / 2); int FightBack( CＧhost * pGhost) { pGhost->Hurt( nPower / 2 ); 有n种怪物，CDragon 类中就会有n个 Attack 成员函数，以及 n个FightBack 成员函数，对于其他类，比如CWolf等，也是这样 程序设计实习2007

38 以上为非多态的实现方法。如果游戏版本升级,增加了新的怪物雷鸟 CThunderBird, 则程序改动较大, 所有的类都需要增加:
程序设计实习2007 以上为非多态的实现方法。如果游戏版本升级,增加了新的怪物雷鸟 CThunderBird, 则程序改动较大, 所有的类都需要增加: int Attack( CThunderBird * pThunderBird) ; int FightBack( CThunderBird * pThunderBird) ; 成员函数，在怪物种类多的时候，工作量较大

39 ２使用多态的实现方法: 设置基类 CCreature，并且使CDragon,CWolf等其他类都从CCreature派生而来
程序设计实习2007 ２使用多态的实现方法: 设置基类 CCreature，并且使CDragon,CWolf等其他类都从CCreature派生而来 CCreature CDragon CWolf CSoldier CPhonex CAngel

40 int nLifeValue, nPower; public:
程序设计实习2007 基类 CCreature： class CCreature { private : int nLifeValue, nPower; public: virtual void Attack( CCreature * pCreature) = 0; virtual int Hurted( int nPower) = 0; virtual int FightBack( CCreature * pCreature) = 0; } 基类只有一个　Attack 成员函数 也只有一个　FightBack成员函数 所有CCreature 的派生类也是这样

41 class CDragon : public CCreature { public:
virtual void Attack( CCreature * pCreature) { pCreature ->Hurted( nPower); pCreature ->FightBack( this); } virtual int Hurted( int nPower) { … }; virtual int FightBack( CCreature * pCreature) { …}; 那么当增加新怪物雷鸟的时候,只需要编写新类CThunderBird, 不需要在已有的类里专门为新怪物增加 int Attack( CThunderBird * pThunderBird) ; int FightBack( CThunderBird * pThunderBird) ; 成员函数 程序设计实习2007

42 Dragon.Attack( & Wolf); //(1) Dragon.Attack( & Ghost); //(2)
程序设计实习2007 具体使用这些类的代码： CDragon Dragon; CWolf Wolf; CGhost Ghost; CThunderBird Bird； Dragon.Attack( & Wolf); 　　 //(1) Dragon.Attack( & Ghost); //(2) Dragon.Attack( & Bird); //(3) 根据多态的规则，上面的（１），（２），（３）进入到CDragon::Attack函数后，能分别调用 CWolf::Hurted CGhost::Hurted CBird::Hurted

43 程序设计实习2007 作业 阅读第10章 几何形体练习2 在几何形体练习1的基础上，对用户输入的全部几何形体按照面积从小到大进行排序，并输出排序的结果。具体要求见作业描述，重点体会多态的应用，思考如何排序。