Transcript CH15 虛擬函式與抽象類別

第十五章 虛擬函式與抽象類別
課前指引
C++ 會自動提供預設的複製建構式，稱為「預設複製建構式」完成物
件間的複製。當類別中的成員包含有指標，必須使用動態記憶體配置
時，若使用預設的複製建構式就會隱含一些無法預期的錯誤，這時就
得自訂複製建構式加以處理。如果子類別僅單純的繼承一個父類別，
這樣的繼承稱為單一繼承 (single inheritance)，像一父對一子的繼
承，或「父-> 子-> 孫」的垂直繼承，都是單一繼承。而如果一個子
類別同時繼承多個父類別，就稱為多重繼承，就像人類都擁有繼承自
父、母的多重繼承 (multiple inheritance)。
章節大綱
15-1 複製建構式
15-2 虛擬函式
15-3 抽象類別
15-4 多重繼承與虛擬基底類別
15-5 虛擬結構式
備註：可依進度點選小節
15.1複製建構式
當建立物件時，建構式會做初始化的動作，
設定物件的初值。
那麼是否可以使用一個已經建立完成的物件
當初值，來快速建立另一個新的物件呢?C++
提供的複製建構式就是用以完成物件的複製
。
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15.1 複製建構式
預設的複製建構式
假設 Car 類別的建構式含有兩個參數，可以建立
物件如下：
Car BMW(1,100); // 建立 BMW 物件 編號 id=1 速度
Speed=100
有了 BMW 的物件，就可以再以 BMW 當初值，建
立另一個 Benz 的物件，並將 BMW 的所有成員初
值複製給 Benz。
Car Benz(BMW); // 物件複製
也可以寫成下列的語法：
Car Benz=BMW; // 物件複製
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15.1 複製建構式
預設的複製建構式
這樣的動作就是物件複製，也就是把 BMW 複製給
Benz，如此就可以很輕易地複製出很多成員初值
相同的物件。完成物件複製動作的機制是由「複
製建構式」來達成的，C++ 會自動提供預設的複
製建構式，稱為「預設複製建構式」完成物件間
的複製。
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15.1 複製建構式
範例時間:預設的複製建構式
詳細步驟，請翻閱課本15-3頁說明。
執行結果
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15.1 複製建構式
如何自訂複製建構式
上面的例子中，我們並沒有自訂複製建構式，執
行結果也都正常，編譯器會自動提供預設的複製
建構式，看起來好像也沒有撰寫自訂複製建構式
的必要。
然而，當類別中的成員包含有指標，必須使用動
態記憶體配置時，若使用預設的複製建構式就會
隱含一些無法預期的錯誤，這時就得自訂複製建
構式加以處理。
複製建構式和建構式、解構式相似，若在程式中
提供了自訂複製建構式，則編譯器將不再提供預
設的複製建構式。
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15.1 複製建構式
自訂複製建構式語法
例如：
const 關鍵字表示傳入的物件僅能讀取不能
修改，參數的傳遞方式必須是物件的參考
(&MyCar)。
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15.1 複製建構式
範例時間:自訂複製建構式
詳細步驟，請翻閱課本15-5至15-6頁說明。
執行結果
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15.1 複製建構式
未使用自訂複製建構式產生的錯誤
如果類別中的成員包含有指標，並使用動態記憶
體配置時，使用預設的複製建構式就會隱含一些
無法預期的錯誤，這時就得仰賴自訂複製建構式
加以處理。
我們先證明當類別中的成員包含有指標，並以一
個已存在的物件初始化另一個新建立的物件，若
末使用自訂複製建構式處理動態記憶體配置，將
會產生錯誤，讓讀者有動機研究這個較深入的單
元。
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15.1 複製建構式
範例時間 :類別中的成員包含有指標，未使
用自訂複製建構式產生的錯誤
詳細步驟，請翻閱課本15-7至15-8頁說明。
執行結果
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15.1 複製建構式
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15.1 複製建構式
自訂複製建構式修正錯誤
以上的錯誤是由預設的複製建構式產生的錯誤，
因為在上一個範例中，並未自訂複製建構式，所
以編譯器便自動提供預設的複製建構式。這告訴
我們一件事，當類別成員含有指標並作動態記憶
體配置時，如果有使用物件複製的動作，就必須
自行處理自訂的複製建構式。
上一個例子中，為避免太複雜，故意不使用動態
方式建立指標物件，在這個例子中，我們將之加
入，動態指標物件的存取語法是「->」，並且必
須自行以delete 處理解構。
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15.1 複製建構式
範例時間:類別中的成員包含有指標，使用自
訂複製建構式修正錯誤
詳細步驟，請翻閱課本15-10至15-12頁說明
執行結果
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15.1 複製建構式
15
15.1 複製建構式
自訂複製建構式的另一個錯誤
您可能在思索，類別成員不要使用指標，不要以
一個已存在的物件初始化方式建立另一個新的物
件，就可以避開預設複製建構式產生的錯誤。
事實上，當我們呼叫函式，將「物件」當作參數
並以「傳值方式」傳遞時，也會執行預設複製建
構式，而這個時候如果處理不當，也會隱含一些
無法預期的錯誤，以例子來說明。
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15.1 複製建構式
範例時間:自訂複製建構式的另一個錯誤
詳細步驟，請翻閱課本15-14至15-15頁說明
執行結果
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15.1 複製建構式
將物件當作參數並以傳值方式傳遞錯誤的處
理
上面的錯誤是因為將物件當作參數並以傳值方式
傳遞給函式，此時函式中會將物件複製一份，這
個複製的動作是由複製建構式來處理，因為程式
中並未自訂複製建構式，編譯器便以預設複製建
構式來處理之。有兩個方法可以修正上面的錯誤
1.將 show() 函式改用傳參考方式傳遞物件參數，這樣
就不會複製物件，也就不會執行複製建構式了，同時以
const 宣告傳遞的傳遞參數只能讀取，可以避免破壞原
來的物件。
只列出不同部份的程式碼，完整程式可參考
CopyStructor6.cpp。
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15.1 複製建構式
2.在程式中自訂複製建構式 (可參考CopyStructor7.cpp)
修正後正確的執行結果
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15.2 虛擬函式
虛擬函式
在第 13 章繼承曾提到，子類別會繼承父類別中
的所有成員，子類別也可以相同名稱但不同參數
方式多載父類別的成員函式，同時，也可以使用
相同參數、相同函式名稱及相同傳回值的方式將
父類別中的成員函式覆寫。
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15.2 虛擬函式
未使用虛擬函式造成的錯誤
然而實際情況並不如預期，看看課本15-18頁的例
子，子類別 Triangle 繼承 Rectangle父類別，
並覆寫 GetArea() 計算三角形面積。
範例時間:未使用虛擬函式造成的錯誤
詳細步驟，請翻閱課本15-19至15-20頁說明
執行結果
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15.2 虛擬函式
使用虛擬函式
上例的錯誤是因為編譯器將 showArea() 和
GetArea() 在連結時以早期繫結(early binding)
的方式編譯在一起了，所以會造成子類別呼叫的
GetArea() 仍是父類別的函式。
解決的方法，就是將 GetArea() 函式改為虛擬函
式，告訴編譯器，別太早連結配對，等到實際實
行時才加以連結，這種連結稱為晚期繫結 (late
binding) 或動態繫結 (dynamic binding)。
虛擬函式的語法：
virtual 傳回值資料型別 函式名稱();
例如： virtual int GetArea(); // 宣告虛擬函式
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15.2 虛擬函式
範例時間:使用虛擬函式作動態繫結
詳細步驟，請翻閱課本15-21至15-22頁說明
執行結果
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15.2 虛擬函式
指向基底類別的指標
指標物件可以更改指標指向另一個物件的位址，
它可以指向父類別物件的位址，也可以改變指標
物件指向子類別的位址。
例如：以父類別建立的指標物件 p，並將指標指
向父類別物件 Rect 的位址，再將指標物件 p 指
向子類別的位址 Tri 的位址。
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15.2 虛擬函式
指向基底類別的指標
然而如果這個指標是由父類別所建立的物件指標
，也會因為編譯器的早期繫結而產生錯誤，以例
子來說明更改指向基底類別指標的錯誤。
範例時間:指向基底類別的指標
詳細步驟，請翻閱課本15-23至15-24頁說明
執行結果
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15.2 虛擬函式
使用虛擬函式改進指向基底類別的指標的錯
誤
上例的錯誤一樣是因為編譯器將 showArea() 和
GetArea() 在連結時以早期繫結 (early
binding) 的方式編譯在一起了，所以會造成指向
子類別物件 Tri 的指標物件 p 呼叫的
GetArea() 仍是父類別的函式。
解決的方法，一樣是將 GetArea() 函式改為虛擬
函式，告訴編譯器，別太早連結配對，等到實際
執行時才以動態方式繫結 (dynamic binding)。
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15.2 虛擬函式
範例時間:以虛擬函式改進指向基底類別的指
標的錯誤
詳細步驟，請翻閱課本15-25至15-26頁說明
執行結果
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15.3 抽象類別
有些時候，可能希望先以父類別定義出架構
，然後再由其子類別繼承後使用，這樣所有
繼承的子類別就會長得像父類別，具有一致
性的介面。這有點像是中央政府頒訂政策，
再委由地方政府策劃細節後實施。
這個父類別只需訂出大的架構，不必訂出實
施細節，而且也不可以直接以此類別來建立
物件，這樣較特殊的類別稱為「抽象類別」
(abstract class)。
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15.3 抽象類別
純虛擬函式
以 virtual 宣告的虛擬函式若將初值設為 0，即
為純虛擬函式。
純虛擬函式的語法：
Virtual 傳回值資料型別 成員函式=0;
例如：
virtual int GetArea()=0; // 定義 GetArea() 為純
虛擬函式
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15.3 抽象類別
認識抽象類別
當類別成員只要擁有一個 ( 或一個以上) 純虛擬
函式，就會變成抽象類別。
抽象類別有幾個特性和一般的類別不同：
1. 抽象類別不能建立物件，而是透過子類別的繼承和
實作後，以子類別建立物件。
2. 父類別中的純虛擬函式只需定義，不必實作，然後
再由子類別實作純虛擬函式。
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15.3 抽象類別
如果子類別中未將父類別的純虛擬函式實作
，則此子類別仍然是一個抽象類別。
此外，抽象類別和一般類別相同，也可以定
義資料成員和成員函式，只是不能以抽象類
別建立物件。
例如：Base 類別含有純虛擬函式「virtual
int Show()=0」，即為抽象類別。
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15.3 抽象類別
範例時間:抽象類別
詳細步驟，請翻閱課本15-28至15-30頁說明
執行結果
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15.3 抽象類別
範例時間:改變父類別 (抽象類別) 的指標變
數，分別指向不同的子類別
詳細步驟，請翻閱課本15-30至15-31頁說明
執行結果
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15.4 多重繼承與虛擬基底類別
了解最簡單的「父-> 子」繼承後，開始將繼
承多樣化，類別繼承的方式還有「父-> 子->
孫」稱為垂直繼承，也可有一父多子、一子
多父，甚至是更複雜的多重繼承。
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15.4 多重繼承與虛擬基底類別
多重繼承
如果子類別僅單存的繼承一個父類別，這樣的繼
承稱為單一繼承 (single inheritance)，像一父
對一子的繼承，或「父-> 子-> 孫」的垂直繼承
，都是單一繼承。
而如果一個子類別同時繼承多個父類別，就稱為
多重繼承，就像人類都擁有繼承自父、母的多重
繼承 (multiple inheritance)。多重繼承時，子
類別會同時繼承所有父類別的所有成員。
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15.4 多重繼承與虛擬基底類別
多重繼承的語法如下：
class 子類別:public 父類別一,public 父類別二
例如：子類別 child 同時繼承 father、mother
兩個父類別。
class child:public father,public mother
{
};
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15.4 多重繼承與虛擬基底類別
範例時間:多重繼承
詳細步驟，請翻閱課本15-34至15-35頁說明
執行結果
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15.4 多重繼承與虛擬基底類別
相同父類別成員的多重繼承
上面的範例中，因為兩個父類別的成員名稱都不
相同，所以不會有任何的問題，但如果父類別中
成員使用相同名稱，將會有繼承錯亂的問題。
以例子來說明：
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15.4 多重繼承與虛擬基底類別
上例故意將兩個父類別的成員都定為相同的
名稱，這樣編譯器仍會將所有父類別的成員
繼承給子類別，如果沒有存取這些名稱相同
的成員，在編譯時並不會產生錯誤。
不過，問題會發生在對這些相同名稱成員存
取時，編譯器將因不知要存取的對象而產生
最簡單的方法就是明確以範圍解
錯誤。
析運算子「::」加上指定的父類
別名稱來存取，即「父類別:: 成
員」，例如：
「Baby.father::showArea()」，執
行 father 父類別的 showArea() 函
式。
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15.4 多重繼承與虛擬基底類別
範例時間:相同父類別成員的多重繼承
詳細步驟，請翻閱課本15-37至15-38頁說明
執行結果
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15.4 多重繼承與虛擬基底類別
虛擬基底類別
在多重繼承時，如果父類別成員名稱相同，會造
成存取無法明確辨識的困擾，同樣的，如果是像
下圖的多重繼承，也會有繼承錯亂的困擾
袓父類別含有一個成員函式 showArea()，所以他
的兩個孩子 A、B 都會繼承showArea()，而子類
別 C 則繼承兩個父類別 A、B ( 間接繼承自袓父
類別—或稱隔代遺傳)，當子類別 C 要存取
showArea() 將發生辨識的困擾，因為它分別繼承
了父類別 A、B 的 showArea() 函式(間接繼承自
袓父類別的)
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15.4 多重繼承與虛擬基底類別
上面的繼承圖說明，如果子類別擁有兩個袓父類
別相同的成員，將無法正確存取此袓父類別的成
員，因為它擁有兩個相同成員。要解決此問題，
必須透過虛擬基底類別 (virtual base class)
的機制來解決。
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15.4 多重繼承與虛擬基底類別
只要在父類別以 virtual 將袓父類別宣告為虛擬
基底類別，如此一來，繼承的子類別將只擁有一
份袓父類別的成員，這樣就可以正確取代袓父類
別相同的成員。
虛擬基底類別的語法：
class 父類別:public virtual 袓父類別
{
…程式碼;
};
例如：在父類別 father 定義 grandfather 袓父
類別為虛擬基底類別
class father:public virtual grandfather
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15.4 多重繼承與虛擬基底類別
範例時間:多重繼承--虛擬基底類別
詳細步驟，請翻閱課本15-40至15-41頁說明
執行結果
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15.5 虛擬解構式
虛擬解構式
15.2.3 節中提到，更改指標指向另一個子類別物
件的位址，如果這個指標是由父類別所建立的物
件指標，則會因為編譯器的早期繫結，而產生錯
誤。
同樣地的情形，也會發生在解構上，看看下列的
問題，以父類別 Base 建立指標物件 p，再將 p
指向子類別 Sub 以動態配置記憶體建立的物件。
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15.5 虛擬解構式
虛擬解構式
這樣也會使得以 Base 類別建立的指標物件 p，
因為前期繫結，而繫結至Base 類別，所以以
delete p 解構時執行的是父類別 Base 的解構式
，而不是子類別 Sub 的解構式。
解決的方法是將父類別的解構式以 virtual 關鍵
字定義為虛擬解構式。
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15.5 虛擬解構式
虛擬解構式
上面的例子提醒我們，當使用動態記憶體配置方
式，將子類別物件位址指派給父類別物件的指標
時，別忘了要將父類別的解構式設為虛擬解構式
。
範例時間:虛擬解構式
詳細步驟，請翻閱課本15-43至15-44頁說明
執行結果
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15.5 虛擬解構式
虛擬解構式
下列程式碼，以父類別 Base 建立指標物件 p，
再將 p 指向另一子類別 Sub物件的位址，delete
釋放配置記憶體時將會發生解構錯誤。
必須在父類別的解構式以 virtual 關鍵字定義為
虛擬解構式。
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本章結束
Q&A討論時間
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