13.2.1 多型性原理
1．多型性概念
對多型性最簡單的理解就是一種事物有多種形態。在物件導向設計中，多型性指的是向不同的物件傳送同一訊息時，會產生不同的動作（或行為、功能）。所謂的「向不同的物件傳送同一訊息」，其實就是指呼叫不同物件的某個函式；而「產生不同的動作」，指的是該函式會實現不同的功能。沒有實現多型性的程式語言不能稱為真正的物件導向語言。比如語句pa->f();，若c++實現了多型性時，則會根據pa所指向的類物件的不同而呼叫相同的函式f（在語句形式上是相同的），這就是「向不同的物件傳送同一訊息」，這裡的同一訊息指的是呼叫函式f()，然後程式根據函式f所在的類不同會實現不同的功能，這就是「產生不同的動作」。再比如a、b、c是同一年級而不同班級的三個學生，當聽到上課鈴聲時，他們會進入不同的教室去上課。a、b、c三個物件在收到同一訊息「上課鈴聲」時，執行了不同的動作，這就是多型性。至於多型性怎樣實現，根據程式語言而定。
2．動態型別與靜態型別
（1）靜態型別指的是物件（指標、引用）在宣告時的型別。這種型別在編譯階段就能確定，僅從表示式的字面形式就能夠確定其型別。靜態型別在程式執行階段不會改變。
（2）動態型別指的是當前物件（包括指標和引用）實際指向的型別。這種型別需要在執行階段才能確定，物件的動態型別可以更改。
（3）編譯階段與執行階段的區別：在編譯階段，系統只做靜態的語法檢查，即從表示式的字面形式（或語句形式）就能夠確定資訊。比如a* pa，則對於pa->f();，在編譯階段從表示式的語句形式是無法確定指標pa所指向的型別（動態型別）的，因為pa可指向不同的子類型別物件，這就需要等到執行階段才能確定。但pa自身的型別（即類a型別），在編譯時是可以確定的，就是靜態型別。
示例如下：
a pa=&mb;
這裡pa的靜態型別是a，pa的動態型別是mb的型別。pa的動態型別可以改變（只需重新指向另乙個物件即可），而靜態型別無法更改。pa的動態型別需要在程式執行階段才能確定，在編譯階段是無法確定的。
a* pa=new a();
此時pa的靜態型別和動態型別都是a*。
3．c++中的動態型別與靜態型別
（1）在c++的繼承關係中，指標或引用的動態型別與靜態型別可以不同，這是c++實現多型性的關鍵。比如class a{};class b:public a{};b mb;，則對於a pa=&mb;，此時pa的靜態型別為a，動態型別為b*，可見pa的靜態型別與動態型別並不相同。
（2）在繼承關係中，類物件（類指標和類引用除外）的靜態型別與動態型別總是相同的。因為在把子類物件賦給父類物件時（注意：父類物件不能賦給子類物件），會把子類的父類部分「切除」，然後把「切除」部分賦給父類物件，這時父類物件的型別相當於是子類被「切除」的父類型別（其實就是父類型別）。比如class a{};class b:public a{};b mb; a ma=mb;，這時ma的動態型別與子類mb被「切除」的父類型別ba 相同，即ma的動態型別就是型別ba，這與ma的靜態型別是相同的。
4．動態繫結與靜態繫結
（1）繫結（binding）：確定呼叫的是哪個具體物件的行為。在本文中，繫結一般是指把某個函式名與某乙個類物件繫結在一起的行為。
（2）動態繫結：在程式執行時（執行階段）繫結到物件的動態型別的行為，其特性依賴於該物件的動態型別。動態繫結後的結果就是根據所繫結的動態型別，呼叫動態型別中的函式。動態繫結又被稱為後期繫結。
（3）靜態繫結：繫結到物件的靜態型別的行為。靜態繫結後的結果就是根據所繫結的靜態型別，呼叫靜態型別中的函式，該過程在編譯階段進行。靜態繫結又被稱為早期繫結。
示例如下：
class a}; class b:public a};
b mb; a pa=&mb; pa->f();
① 若函式f繫結到指標pa的動態型別（即動態繫結），則呼叫pa的動態型別中的函式f，此時pa的動態型別是b，因此pa->f();呼叫類b中的函式f。可見，動態繫結時呼叫哪乙個函式，是由指標所指向的動態型別決定的。
② 若函式f繫結到指標pa的靜態型別（即靜態繫結），則呼叫pa的靜態型別中的函式f，此時pa的靜態型別是a*，因此pa->f();呼叫類a中的函式f。
5．c++中的動態繫結與多型性、虛函式
（1）c++中的多型表示的是使用乙個公有的父類指標（或引用），定址出乙個子類物件。換句話說，就是「乙個介面，多個方法」。在非多型情形下，當宣告乙個父類指標指向子類物件時，這個父類指標只能訪問父類中的成員函式，不能訪問子類中特有的成員變數或函式（因為父類並不知道子類特有的成員）。c++多型性的實質就是為了實現「使用指向子類物件的父類指標（或引用）訪問子類中的成員函式，而不是父類中的成員函式」。比如，若類b和類c是類a的子類，且都有各自的成員函式f，則對於b mb; c mc; a* pa;，若pa=&mb;，那麼在多型情形下，pa->f()將呼叫類b中的成員函式f()；同理若pa=&mc; ，那麼pa->f()將呼叫類c中的成員函式f；若沒有多型，則無論pa指向類a的哪個子物件，pa->f()都將呼叫類a中的函式f。這就是c++中的多型，即根據共有的父類指標pa，通過pa指向不同的子物件，可以呼叫不同子物件中的成員函式。
（2）c++使用動態繫結實現多型性，靜態繫結是不能實現多型性的。比如，若類b是類a的子類，且都有各自的成員函式f，則對於b mb; a* pa;，若pa=&mb;，要實現多型性就必須使pa->f()呼叫子類b中的函式f，而這種呼叫就是動態繫結，因此只有動態繫結才能實現多型性；若pa->f()的呼叫是靜態繫結，則無法呼叫子類b中的函式f。
（3）c++實現動態繫結：在c++的繼承關係中，動態繫結必須使用虛函式和父類型別的指標（或引用）來實現，這兩者缺一不可。
① 為什麼需要虛函式：在c++中，只有虛函式才有可能使用動態繫結，虛函式是實現動態繫結的條件之一，非虛函式全部使用靜態繫結。
② 為什麼需要指標或引用：在c++中，指標或引用的動態型別與靜態型別可以不同，但類物件的靜態型別與動態型別總是相同的，只有在靜態型別與動態型別不相同時，使用動態繫結才能實現多型性，因此使用類物件無法繫結到動態型別，即無法實現動態繫結，動態繫結必須使用指標或引用才能實現。
③ 為什麼必須是父類的指標或引用：在c++中，子類可以轉換為父類，但不存在從父類到子類的轉換，因此要實現動態繫結應使用父類型別的指標或引用。不管是通過動態繫結還是靜態繫結，把子類物件繫結到子類型別、把父類物件繫結到父類型別都沒有實際意義，而把父類物件繫結到子類型別是錯誤的，因此只有把子類型別動態繫結到父類型別才有意義。
示例如下：
class a};class b:public a};
b mb; a ma; a pa; b pb;
① 對於pa=&mb; pa->f(); ：
pa的靜態型別為a*，動態型別為b*，其靜態型別與動態型別是不同的。
若函式f是虛函式，則通過動態繫結把函式f繫結到指標pa的動態型別，呼叫類b中的函式f。只有此情形才可實現多型性。
若函式f是非虛函式，則通過靜態繫結把函式f繫結到指標pa的靜態型別，呼叫類a中的函式f。因為使用的是靜態繫結，所以未實現多型性。
② 對於pa=&ma; pa->f();：
pa的靜態型別為a*，動態型別為a*，其靜態型別與動態型別是相同的。
若函式f是虛函式，則通過動態繫結把函式f繫結到指標pa的動態型別，呼叫類a中的函式f。因為靜態型別與動態型別相同，所以未實現多型性。
若函式f是非虛函式，則通過靜態繫結把函式f繫結到指標pa的靜態型別，呼叫類a中的函式f。因為使用的是靜態繫結，所以未實現多型性。
③ pb=&mb; pb->f();，原理同② 。
④ pb=&ma; 或mb=ma; ，錯誤，不存在從父類到子類的轉換。
⑤ ma=mb; ma.f(); mb.f(); ，此時不管函式f是虛函式還是非虛函式，對於類物件使用的都是靜態繫結，因此ma.f()中的函式f被繫結到ma的靜態型別，呼叫類a中的f函式。mb.f()中的f函式被繫結到mb的靜態型別，呼叫類b中的函式f。
⑥ 由以上可見，要實現多型性，必須要滿足兩個條件，即虛函式和父類型別的指標（或引用）。只有使用虛函式，才可以進行動態繫結；只有使用引用或指標，才能使靜態型別與動態型別不同。
（4）總結： c++中的多型就是「通過父類的引用（或指標）呼叫虛函式」，這時發生的是動態繫結，指標或引用的動態型別與靜態型別可以不同（因為引用（或指標）既可以指向父類物件，也可以指向子類物件），這是實現動態繫結的關鍵。用引用（或指標）呼叫虛函式時，被呼叫的是引用（或指標）所指物件的實際型別（動態型別）中所定義的虛函式。
以上內容摘自本人所作《c++語法詳解》一書，電子工業出版社出版
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