多態性 – C++中實現運行時多態的方式

一、概述

C++中的多態性是指同一個函數可以有多種不同的實現方式，並且在運行時根據實際情況進行選擇執行。在C++中實現多態有兩種方式：靜態多態和動態多態。靜態多態是指在編譯時確定函數的實現，包括函數重載和模板函數；動態多態是指在運行時根據對象的實際類型來確定函數的實現，包括虛函數和抽象類。

二、靜態多態

1、函數重載

函數重載是指在同一個作用域中定義多個同名函數，它們的參數列表不同。編譯器會根據函數的參數列表唯一地確定要調用的函數。函數重載的實現可以通過編譯時的函數匹配來實現，實現起來比較簡單。

下面是一個函數重載的示例代碼：

#include <iostream>

void print(int i) {
    std::cout << "This is an integer: " << i << std::endl;
}

void print(float f) {
    std::cout << "This is a float: " << f << std::endl;
}

int main() {
    print(42);
    print(3.14f);
    return 0;
}

上面的代碼中，我們定義了兩個同名的函數`print`，但是它們的參數列表不同，一個接受整數，一個接受浮點數。在調用函數`print`時，編譯器會自動根據參數的類型選擇調用哪個函數。

2、模板函數

模板函數是指在定義函數時使用了類型參數，可以讓函數適用於多種不同的類型。編譯器會在編譯時根據參數類型來生成具體的函數實現。模板函數的實現可以通過編譯時的模板實例化來實現。

下面是一個模板函數的示例代碼：

#include <iostream>
#include <cstdlib>

template <typename T>
T max(T a, T b) {
    return a > b ? a : b;
}

int main() {
    int x = 42, y = 23;
    float f = 3.14f, g = 2.71f;
    std::cout << "Max of " << x << " and " << y << " is " << max(x, y) << std::endl;
    std::cout << "Max of " << f << " and " << g << " is " << max(f, g) << std::endl;
    return 0;
}

上面的代碼中，我們定義了一個模板函數`max`，它可以針對整數、浮點數等多種類型進行運算。在調用函數`max`時，編譯器會根據參數類型自動推斷出要使用哪個具體的函數實現。

三、動態多態

1、虛函數

虛函數是指在基類中定義的函數可以被派生類重寫的函數。通過將函數聲明為虛函數，我們可以在運行時根據對象的實際類型來確定要調用的函數實現。在C++中，只要將函數聲明為虛函數即可實現動態多態。

下面是一個虛函數的示例代碼：

#include <iostream>

class Shape {
public:
    virtual float calculateArea() { return 0; }
};

class Square : public Shape {
public:
    Square(float l) : _length(l) {}
    virtual float calculateArea() { return _length * _length; }
private:
    float _length;
};

class Circle : public Shape {
public:
    Circle(float r) : _radius(r) {}
    virtual float calculateArea() { return 3.14f * _radius * _radius; }
private:
    float _radius;
};

int main() {
    Shape *s1 = new Square(5);
    Shape *s2 = new Circle(3);
    std::cout << "Area of square is " << s1->calculateArea() << std::endl;
    std::cout << "Area of circle is " << s2->calculateArea() << std::endl;
    delete s1;
    delete s2;
    return 0;
}

上面的代碼中，我們定義了一個基類`Shape`和兩個派生類`Square`和`Circle`，它們都實現了函數`calculateArea`。在調用函數`calculateArea`時，我們將基類指針指向派生類對象，可以看到運行時實際調用的是派生類的實現函數。

2、抽象類

抽象類是指包含至少一個純虛函數的類，這個類不能被實例化，只能用作基類來派生出其他類。在C++中，可以通過將函數聲明為純虛函數來實現抽象類。

下面是一個抽象類的示例代碼：

#include <iostream>

class Shape {
public:
    virtual float calculateArea() = 0;
};

class Square : public Shape {
public:
    Square(float l) : _length(l) {}
    virtual float calculateArea() { return _length * _length; }
private:
    float _length;
};

class Circle : public Shape {
public:
    Circle(float r) : _radius(r) {}
    virtual float calculateArea() { return 3.14f * _radius * _radius; }
private:
    float _radius;
};

int main() {
    // Shape *s = new Shape();  // error: cannot instantiate abstract class
    Shape *s1 = new Square(5);
    Shape *s2 = new Circle(3);
    std::cout << "Area of square is " << s1->calculateArea() << std::endl;
    std::cout << "Area of circle is " << s2->calculateArea() << std::endl;
    delete s1;
    delete s2;
    return 0;
}

上面的代碼中，我們將基類`Shape`中的函數`calculateArea`聲明為純虛函數，從而實現了抽象類。抽象類不能被實例化，只能用作基類來派生出其他類。在調用函數`calculateArea`時，我們將基類指針指向派生類對象，可以看到運行時實際調用的是派生類的實現函數。

四、總結

本文介紹了C++中實現運行時多態的兩種方式：靜態多態和動態多態。靜態多態包括函數重載和模板函數，動態多態包括虛函數和抽象類。通過對這些知識點的學習，可以更好地理解C++中的多態性，更靈活地應用在實際的程序開發中。