C++多态的好处和作用（用实例说话）

C++多态的好处和作用（用实例说话）

在面向对象的程序设计中，使用多态能够增强程序的可扩充性，即程序需要修改或增加功能时，只需改动或增加较少的代码。此外，使用多态也能起到精简代码的作用
。本节通过两个实例来说明多态的作用。
游戏程序实例

游戏软件的开发最能体现面向对象设计方法的优势。游戏中的人物、道具、建筑物、场景等都是很直观的对象，游戏运行的过程就是这些对象相互作用的过程。每个对象都有自己的属性和方法，不同对象也可能有共同的属性和方法，特别适合使用继承、多态等面向对象的机制。下面就以“魔法门”游戏为例来说明多态在增加程序可扩充性方面的作用。

“魔法门”游戏中有各种各样的怪物，如骑士、天使、狼、鬼，等等。每个怪物都有生命力、攻击力这两种属性。怪物能够互相攻击。一个怪物攻击另一个怪物时，被攻击者会受伤；同时，被攻击者会反击，使得攻击者也受伤。但是一个怪物反击的力量较弱，只是其自身攻击力的
1/2。

怪物主动攻击、被敌人攻击和实施反击时都有相应的动作。例如，骑士的攻击动作是挥舞宝剑，而火龙的攻击动作是喷火；怪物受到攻击会嚎叫和受伤流血，如果受伤过重，生命力被减为
0，则怪物就会倒地死去。

针对:这个游戏，该如何编写程序，才能使得游戏版本升级、要增加新的怪物时，原有的程序改动尽可能少呢？换句话说，如何才能使程序的可扩充性更好呢？

然而，无论是否使用多态，均应使每种怪物都有一个类与之对应，每个怪物就是一个对象。而且，怪物的攻击、反击和受伤等动作都是通过对象的成员函数实现的，因此需要为每个类编写
Attack、FightBack 和 Hurted 成员函数。

Attack 成员函数表现攻击动作，攻击某个怪物并调用被攻击怪物的 Hurted 成员函数，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，遭受被攻击怪物的反击。

Hurted 成员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。

下面对比使用多态和不使用多态两种写法，来看看多态在提高程序可扩充性方面的作用。

先介绍不用多态的写法。假定用 CDmgon 类表示龙，用 CWolf 类表示狼，用 CGhost 类表示鬼，则 CDragon
类的写法大致如下（其他类的写法与之类似）：
class CDragon { private: int power; //攻击力 int lifeValue; //生命值 public: void
Attack(CWolf * p); //攻击“狼”的成员函数 void Attack(CGhost* p); //攻击“鬼”的成员函数 //……其他
Attack 重载函数 //表现受伤的成员函数 void Hurted(int nPower); void FightBack(CWolf * p);
//反击“狼”的成员函数 void FightBack(CGhost* p); //反击“鬼”的成员函数 //......其他FightBack重载函数 };
各成员函数的写法如下：
void CDragon::Attack(CWolf* p) { p->Hurted(power); p->FightBack(this); } void
CDragon::Attack(CGhost* p) { p->Hurted(power); p->FightBack(this); } void
CDragon::Hurted(int nPower) { lifeValue -= nPower; } void CDragon::FightBack(
CWolf* p) { p->Hurted(power / 2); } void CDragon::FightBack(CGhost* p) { p->
Hurted(power / 2); }
第 1 行，Attack 函数的参数 p 指向被攻击的 CWolf 对象。

第 3 行，在 p 所指向的对象上面执行 Hurted 成员函数，使被攻击的“狼”对象受伤。调用 Hurted 成员函数时，参数是攻击者“龙”对象的攻击力。

第 4 行，以指向攻击者自身的 this 指针为参数，调用被攻击者的 FightBack 成员函数，接受被攻击者的反击。

在真实的游戏程序中，CDragon 类的 Attack 成员函数中还应包含表现“龙”在攻击时的动作和声音的代码。

第 13 行，一个对象的 Hurted 成员函数被调用会导致该对象的生命值减少，减少的量等于攻击者的攻击力。当然，在真实的程序中，Hurted
成员函数还应包含表现受伤时动作的代码，以及生命值如果减至小于或等于零，则倒地死去的代码。

第 17 行，p 指向的是实施攻击者。对攻击者进行反击，实际上就是调用攻击者的 Hurted
成员函数使其受伤。其受到的伤害的大小等于实施反击者的攻击力的一半（反击的力量不如主动攻击大）。当然，FightBack
成员函数中其实也应包含表现反击动作的代码。

实际上，如果游戏中有 n 种怪物，CDragon 类中就会有 n 个 Attack 成员函数，用于攻击 n 种怪物。当然，也会有 71 个
FightBack 成员函数（这里假设两条龙也能互相攻击）。对于其他类，如 CWolf 类等，也是这样。

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”，假设其类名为 CThunderBird，则程序需要做哪些改动呢？

除了编写一个 CThiinderBird 类外，所有的类都需要增加以下两个成员函数，用以对“雷鸟”实施攻击，以及在被“雷鸟”攻击时对其进行反击：
void Attack(CThunderBird* p);
void FightBack(CThunderBird* p);
这样，在怪物种类多的时候，工作量会比较大。

实际上，在非多态的实现中，使代码更精简的做法是将 CDragon、CWolf 等类的共同特点 抽取出来，形成一个 CCreature 类，然后再从
CCreature 类派生出 CDragon、CWolf 等类。但是由于每种怪物进行攻击、反击和受伤时的表现动作不同，CDmgon、CWdf
这些类还要实现各自的 Hurted 成员函数，以及一系列 Attack、FightBack 成员函数。因此，如果没有利用多态机制，那么即便引人基类
CCreature，对程序的可扩充性也没有太大帮助。

下面再来看看，如果使用多态机制编写这个程序，在要新增 CThunderBird 类时，程序改动的情况。使用多态的写法如下：设置一个基类
CCreature，概括所有怪物的共同特点。所有具体的怪物类，如 CDragon、CWolf、CGhost 等，均从 CCreature 类派生而来。下面是
CCreature 类的写法：
class CCreature { //“怪物”类 protected: int lifeValue, power; public: virtual void
Attack(CCreature* p) {}; virtual void Hurted(int nPower) {}; virtual void
FightBack(CCreature* p) {}; };
可以看到，基类 CCreature 中只有一个 Attack 成员函数，也只有一个 FightBack 成员函数。

实际上，所有 CCreature 类的派生类也都只有一个 Attack 成员函数和一个 FightBack 成员函数。例如，CDragon 类的写法如下：
class CDragon : public CCreature { public: virtual void Attack(CCreature* p) {
p->Hurted(power); p->FightBack(this); } virtual int Hurted(int nPower) {
lifeValue-= nPower; } virtual int FightBack(CCreature* p) { p->Hurted(power / 2)
; } };
CDragon 类的成员函数中省略了表现动作和声音的那部分代码。其他类的写法和 CDragon
类类似，只是实现动作和声音的代码不同。如何实现动画的动作和声音不是本书要讲述的内容。

在上述多态的写法中，当需要增加新怪物“雷鸟”时，只需要编写新类 CThunderBird 即可，不需要在已有的类中专门为新怪物增加 void
Attack(CThunderBird * p) 和 void FightBack(CThunderBird* p)
这两个成员函数。也就是说，其他类根本不用修改。这样一来，和前面非多态的实现方法相比，程序的可扩充性当然大大提高了。实际上，即便不考虑可扩充性的问题，程序本身也比非多态的写法大大精简了。

为什么 CDragon 等类只需要一个 Attack 函数，就能够实现对所有怪物的攻击呢？

假定有以下代码片段：
CDragon dragon; CWolf wolf; CGhost ghost; CThunderBird bird; Dragon.Attack(&
wolf); Dragon.Attack(&ghost); Dragon.Attack(&bird);
根据赋值兼容规则，上面第 5、6、7 行中的参数都与基类指针类型 CCreature* 相匹配，所以编译没有问题。从 5、6、7 三行进入
CDragon::Attack 函数后，执行 p-> Hurted(power) 语句时，p 分别指向的是 wolf、ghost 和
bird，根据多态的规则，分别调用的就是 CWolf::Hurted、CGhost::Hurted 和 CBird: Hurted 函数。

FightBack 函数的情况和 Attack 函数类似，不再赘述。
几何形体程序实例

例题：编写一个几何形体处理程序，输入几何形体的个数以及每个几何形体的形状和参数，要求按面积从小到大依次输出每个几何形体的种类及面积。假设几何形体的总薮不超过
100 个。

例如，输入
4
R 3 5
C 9
T 3 4 5
R 2 2

表示一共有 4 个几何形体，第一个是矩形（R 代表矩形），宽度和高度分别是 3 和 5；第二个是圆形（C 代表圆形），半径是
9；第三个是三角形（T代表三角形），三条边的长度分别是 3,4,5；第四个是矩形，宽度和高度都是 2。

应当输出：
Rectangle:4
Triangle:6
Rectangle:15
Circle:254.34

该程序可以运用多态机制编写，不但便于扩充（添加新的几何形体），还能够节省代码量。程序如下：
#include <iostream> #include <cmath> using namespace std; class CShape //基类：形体类
{ public: virtual double Area() { }; //求面积 virtual void PrintInfo() { }; //显示信息
}; class CRectangle:public CShape //派生类：矩形类 { public: int w,h; //宽和高 virtual
double Area(); virtual void PrintInfo(); }; class CCircle:public CShape //派生类：圆类
{ public: int r; //半径 virtual double Area(); virtual void PrintInfo(); }; class
CTriangle:public CShape //派生类：三角形类 { public: int a,b,c; //三边长 virtual double
Area(); virtual void PrintInfo(); }; double CRectangle::Area() { return w * h; }
void CRectangle::PrintInfo() { cout << "Rectangle:" << Area() << endl; } double
CCircle::Area() { return 3.14 * r * r ; } void CCircle::PrintInfo() { cout <<
"Circle:" << Area() << endl; } double CTriangle::Area() { //根据海伦公式计算三角形面积 double
p= ( a + b + c) / 2.0; return sqrt(p * ( p - a)*(p- b)*(p - c)); } void
CTriangle::PrintInfo() { cout << "Triangle:" << Area() << endl; } CShape *
pShapes[100]; //用来存放各种几何形体，假设不超过100个 int MyCompare(const void *s1, const void *
s2) //定义排序规则的函数 { CShape **p1 = (CShape **)s1; //s1是指向指针的指针,其指向的指针为CShape* 类型
CShape**p2 = ( CShape **)s2; double a1 = (*p1)->Area(); //p1指向几何形体对象的指针,
*p1才指向几何形体对象 double a2 = (*p2)->Area(); if( a1 < a2 ) return -1; //面积小的排前面 else
if (a2 < a1) return 1; else return 0; } int main() { int i; int n; CRectangle *
pr; CCircle *pc; CTriangle *pt; cin >> n; for( i = 0;i < n;++i ) { char c; cin
>> c; switch(c) { case 'R': //矩形 pr = new CRectangle(); cin >> pr->w >> pr->h;
pShapes[i] = pr; break; case 'C': //圆 pc = new CCircle(); cin >> pc->r; pShapes[
i] = pc; break; case 'T': //三角形 pt = new CTriangle(); cin >> pt->a >> pt->b >>
pt->c; pShapes[i] = pt; break; } } qsort(pShapes,n,sizeof(Cshape *),MyCompare);
for(i = 0;i <n;++i) { pShapes[i]->PrintInfo(); delete pShapes[i]; //释放空间 }
return 0; }
程序涉及三种几何形体。如果不使用多态，就需要用三个数组分别存放三种几何形体，不但编码麻烦，而且如果以后要增加新的几何形体，就要增加新的数组，扩充性不好。

本程序将所有几何形体的共同点抽象出来，形成一个基类 CShape，CRectangle、CCircle 等各种几何形体类都由 CShape
类派生而来。每个类都有各自的计算面积函数 Area 和显示信息函数 PrintInfo，这两个函数在所有类中都有，而且都是虚函数。

第 50 行定义了一个 CShape * pShapes[100]
数组。由于基类指针也能指向派生类对象，因此，每输入一个几何形体，就动态分配一个与该形体对应的类的对象（第 74、79、84 行）， 然后将该对象的指针存入
pShapes 数组（第 76、81、86 行）。总之，pShapes 数组中的元素可能指向 CRectangle 对象，也可能指向 CCircle
对象，还可能指向 CTriangle 对象。

第 90 行对 pShapes 数组进行排序。排序的规则是按数组元素所指向的对象的面积从小到大排序。注意，待排序的数组元素是指针而不是对象，因此调用
qsort 时的第三个参数是 sizeof (CShape *)，而不是 sizeof(CShape)。

在定义排序规则的 MyCompare 函数中，形参 s1（s2 与 s1 类似）指向的是待排序的数组元素，数组元素是指针，因而 s1
是指向指针的指针，其指向的指针是 CShape* 类型。*s1是数组元素，即指向对象的指针，**s1才是几何形体对象。

由于 s1 是 void* 类型的，s1 无定义，因此要先将 s1 转换为 CShape* 类型的指针 p1（第 53 行），此后，p1 即是一个
CShape 类型的指针，*p1 指向一个几何形体对象，通过(p1)->Area()就能求该对象的面积了（第 55 行）。( p1) ->
Area();这条语句是多态的，因为 *p1 是基类指针，Area 是虚函数。程序运行到此时，*p1 指向哪种对象，就会调用相应类的计算面积函数
Area，正确求得其面积。

如果不使用多态，就需要将不同形体的面积一一求出来，存到另外一个数组中，然后再排序，排序后还要维持面积值和其所属的几何形体的对应关系——这显然是比较麻烦的。

多态的作用还体现在第 91、92 行。只要用一个循环遍历排好序的 pShapes 数组，并通过数组元素调用 PrintInfo
虚函数，就能正确执行不同形体对象的 PrintInfo 成员函数，输出形体对象的信息。

上面这个使用了多态机制的程序，不但编码比较简单，可扩充性也较好。如果程序需要增加新的几何形体类，所要做的事情也只是从 CShape 类派生出新类，然后在第
72 行的 switch 语句中加入一个分支即可。

第 93 行释放动态分配的对象。按照本程序的写法，这条语句是有一些问题的。具体是什么问题，如何解决，将在《虚析构函数》一节中解释。

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