C++多态的学习

几天前看了多态，感觉不怎么好！因为就是虚函数的重写

但是，看看大牛们的文章，才感觉到压力！多态果然不一样，今天把他们的日志转载过来共那些没有入门，（多态方面）的同学学习!

1. 函数多态

     也就是我们常说的函数重载（function overloading）。基于不同的参数列表，同一个函数名字可以指向不同的函数定义： 

// overload_poly.cpp

#include <iostream>
#include <string>

// 定义两个重载函数

int my_add(int a, int b)
{
    return a + b;
}
int my_add(int a, std::string b)
{
    return a + atoi(b.c_str());
}
int main()
{
    int i = my_add(1, 2);                // 两个整数相加
    int s = my_add(1, "2");              // 一个整数和一个字符串相加
    std::cout << "i = " << i << "\n";
    std::cout << "s = " << s << "\n";
}

     根据参数列表的不同（类型、个数或兼而有之），my_add(1, 2)和my_add(1, "2")被分别编译为对my_add(int, int)和my_add(int, std::string)的调用。实现原理在于编译器根据不同的参数列表对同名函数进行名字重整，而后这些同名函数就变成了彼此不同的函数。比方说，也许某个编译器会将my_add()函数名字分别重整为my_add_int_int()和my_add_int_str()。

2. 宏多态

     带变量的宏可以实现一种初级形式的静态多态：  
// macro_poly.cpp

#include <iostream>
#include <string>

// 定义泛化记号：宏ADD
#define ADD(A, B) (A) + (B);

int main()
{
    int i1(1), i2(2);
    std::string s1("Hello, "), s2("world!");
    int i = ADD(i1, i2);                        // 两个整数相加
    std::string s = ADD(s1, s2);                // 两个字符串“相加”
    std::cout << "i = " << i << "\n";
    std::cout << "s = " << s << "\n";
}

     当程序被编译时，表达式ADD(i1, i2)和ADD(s1, s2)分别被替换为两个整数相加和两个字符串相加的具体表达式。整数相加体现为求和，而字符串相加则体现为连接。程序的输出结果符合直觉：  
     1 + 2 = 3
     Hello, + world! = Hello, world!

3. 动态多态

     这就是众所周知的的多态。现代面向对象语言对这个概念的定义是一致的。其技术基础在于继承机制和虚函数。例如，我们可以定义一个抽象基类Vehicle和两个派生于Vehicle的具体类Car和Airplane：

// dynamic_poly.h
#include <iostream>
// 公共抽象基类Vehicle
class Vehicle
{
public:
    virtual void run() const = 0;
};
// 派生于Vehicle的具体类Car
class Car: public Vehicle
{
public:
    virtual void run() const
    {
        std::cout << "run a car\n";
    }
};
// 派生于Vehicle的具体类Airplane
class Airplane: public Vehicle
{
public:
    virtual void run() const
    {
        std::cout << "run a airplane\n";
    }
}; 
     客户程序可以通过指向基类Vehicle的指针（或引用）来操纵具体对象。通过指向基类对象的指针（或引用）来调用一个虚函数，会导致对被指向的具体对象之相应成员的调用：
// dynamic_poly_1.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include "dynamic_poly.h"
// 通过指针run任何vehicle
void run_vehicle(const Vehicle* vehicle)
{
    vehicle->run();            // 根据vehicle的具体类型调用对应的run()
}
int main()
{
    Car car;
    Airplane airplane;
    run_vehicle(&car);         // 调用Car::run()
    run_vehicle(&airplane);    // 调用Airplane::run()
}
     此例中，要害的多态接口元素为虚函数run()。由于run_vehicle()的参数为指向基类Vehicle的指针，因而无法在编译期决定使用哪一个版本的run()。在运行期，为了分派函数调用，虚函数被调用的那个对象的完整动态类型将被访问。这样一来，对一个Car对象调用run_vehicle()，实际上将调用Car::run()，而对于Airplane对象而言将调用Airplane::run()。 
     或许动态多态最吸引人之处在于处理异质对象集合的能力： 
// dynamic_poly_2.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include "dynamic_poly.h"
// run异质vehicles集合
void run_vehicles(const std::vector<Vehicle*>& vehicles)
{
    for (unsigned int i = 0; i < vehicles.size(); ++i)
    {
        vehicles[i]->run();     // 根据具体vehicle的类型调用对应的run()
    }
}
int main()
{
    Car car;
    Airplane airplane;
    std::vector<Vehicle*> v;    // 异质vehicles集合
    v.push_back(&car);
    v.push_back(&airplane);
    run_vehicles(v);            // run不同类型的vehicles
}

     在run_vehicles()中，vehicles[i]->run()依据正被迭代的元素的类型而调用不同的成员函数。这从一个侧面体现了面向对象编程风格的优雅。

4. 静态多态

     假如说动态多态是通过虚函数来表达共同接口的话，那么静态多态则是通过“彼此单独定义但支持共同操作的具体类”来表达共同性，换句话说，必须存在必需的同名成员函数。  
     我们可以采用静态多态机制重写上一节的例子。这一次，我们不再定义vehicles类层次结构，相反，我们编写彼此无关的具体类Car和Airplane（它们都有一个run()成员函数）： 

// static_poly.h
#include <iostream>
//具体类Car
class Car
{
public:
    void run() const
    {
        std::cout << "run a car\n";
    }
};
//具体类Airplane
class Airplane
{
public:
    void run() const
    {
        std::cout << "run a airplane\n";
    }
};
run_vehicle()应用程序被改写如下：
  
// static_poly_1.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include "static_poly.h"
// 通过引用而run任何vehicle
template <typename Vehicle>
void run_vehicle(const Vehicle& vehicle)
{
    vehicle.run();            // 根据vehicle的具体类型调用对应的run()
}
 
int main()
{
    Car car;
    Airplane airplane;
    run_vehicle(car);         // 调用Car::run()
    run_vehicle(airplane);    // 调用Airplane::run()
} 
     现在Vehicle用作模板参数而非公共基类对象（事实上，这里的Vehicle只是一个符合直觉的记号而已，此外别无它意）。经过编译器处理后，我们最终会得到run_vehicle<Car>()和 run_vehicle<Airplane>()两个不同的函数。这和动态多态不同，动态多态凭借虚函数分派机制在运行期只有一个run_vehicle()函数。  
     我们无法再透明地处理异质对象集合了，因为所有类型都必须在编译期予以决定。不过，为不同的vehicles引入不同的集合只是举手之劳。由于无需再将集合元素局限于指针或引用，我们现在可以从执行性能和类型安全两方面获得好处：
// static_poly_2.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include "static_poly.h"
// run同质vehicles集合
template <typename Vehicle>
void run_vehicles(const std::vector<Vehicle>& vehicles)
{
    for (unsigned int i = 0; i < vehicles.size(); ++i) 
    {
        vehicles[i].run();            // 根据vehicle的具体类型调用相应的run()
    }
}
int main()
{
    Car car1, car2;
    Airplane airplane1, airplane2;
    std::vector<Car> vc;              // 同质cars集合
    vc.push_back(car1);
    vc.push_back(car2);
    //vc.push_back(airplane1);        // 错误：类型不匹配
    run_vehicles(vc);                 // run cars
    std::vector<Airplane> vs;         // 同质airplanes集合
    vs.push_back(airplane1);
    vs.push_back(airplane2);
    //vs.push_back(car1);             // 错误：类型不匹配
    run_vehicles(vs);                 // run airplanes
}

5. 两种多态机制的结合使用 

     在一些高级C++应用中，我们可能需要结合使用动态多态和静态多态两种机制，以期达到对象操作的优雅、安全和高效。例如，我们既希望一致而优雅地处理vehicles的run问题，又希望“安全而高效”地完成给飞行器（飞机、飞艇等）进行“空中加油”这样的高难度动作。为此，我们首先将上面的vehicles类层次结构改写如下： 

// dscombine_poly.h
#include <iostream>
#include <vector>
// 公共抽象基类Vehicle
class Vehicle
{
    public:
    virtual void run() const = 0;
};
// 派生于Vehicle的具体类Car
class Car: public Vehicle
{
public:
    virtual void run() const
    {
        std::cout << "run a car\n";
    }
};
// 派生于Vehicle的具体类Airplane
class Airplane: public Vehicle
{
public:
    virtual void run() const
    {
        std::cout << "run a airplane\n";
    }
 
    void add_oil() const
    {
        std::cout << "add oil to airplane\n";
    }
};
// 派生于Vehicle的具体类Airship
class Airship: public Vehicle
{
public:
    virtual void run() const
    {
        std::cout << "run a airship\n";
    }
  
    void add_oil() const
    {
        std::cout << "add oil to airship\n";
    }
};

我们理想中的应用程序可以编写如下：
  

// dscombine_poly.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include "dscombine_poly.h"
// run异质vehicles集合
void run_vehicles(const std::vector<Vehicle*>& vehicles)
{
    for (unsigned int i = 0; i < vehicles.size(); ++i)
    {
        vehicles[i]->run();                 // 根据具体的vehicle类型调用对应的run()
    }
}
// 为某种特定的aircrafts同质对象集合进行“空中加油”
template <typename Aircraft>
void add_oil_to_aircrafts_in_the_sky(const std::vector<Aircraft>& aircrafts)
{
    for (unsigned int i = 0; i < aircrafts.size(); ++i)
    {
        aircrafts[i].add_oil();
    }
}
int main()
{
    Car car1, car2;
    Airplane airplane1, airplane2;
    Airship airship1, airship2;
    std::vector<Vehicle*> v;                // 异质vehicles集合
    v.push_back(&car1);
    v.push_back(&airplane1);
    v.push_back(&airship1);
    run_vehicles(v);                        // run不同种类的vehicles
    std::vector<Airplane> vp;               // 同质airplanes集合
    vp.push_back(airplane1);
    vp.push_back(airplane2);
    add_oil_to_aircrafts_in_the_sky(vp);    // 为airplanes进行“空中加油”
    std::vector<Airship> vs;                // 同质airships集合
    vs.push_back(airship1);
    vs.push_back(airship2);
    add_oil_to_aircrafts_in_the_sky(vs);    // 为airships进行“空中加油”
}

     我们保留了类层次结构，目的是为了能够利用run_vehicles()一致而优雅地处理异质对象集合vehicles的run问题。同时，利用函数模板add_oil_to_aircrafts_in_the_sky<Aircraft>()，我们仍然可以处理特定种类的vehicles — aircrafts（包括airplanes和airships）的“空中加油”问题。其中，我们避开使用指针，从而在执行性能和类型安全两方面达到了预期目标。