多態(tài)性(polymorphism)是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的一個重要特征。如果一種語言只支持類而不支持多態(tài)，是不能被稱為面向?qū)ο笳Z言的，只能說是基于對象的，如Ada、VB就屬此類。C++支持多態(tài)性，在C++程序設(shè)計中能夠?qū)崿F(xiàn)多態(tài)性。利用多態(tài)性可以設(shè)計和實現(xiàn)一個易于擴展的系統(tǒng)。

顧名思義，多態(tài)的意思是一個事物有多種形態(tài)。多態(tài)性的英文單詞polymorphism來源于希臘詞根poly(意為“很多”)和morph(意為“形態(tài)”）。在C ++程序設(shè)計中，多態(tài)性是指具有不同功能的函數(shù)可以用同一個函數(shù)名，這樣就可以用一個函數(shù)名調(diào)用不同內(nèi)容的函數(shù)。在面向?qū)ο蠓椒ㄖ幸话闶沁@樣表述多態(tài)性的：向不同的對象發(fā)送同一個消息， 不同的對象在接收時會產(chǎn)生不同的行為（即方法）。也就是說，每個對象可以用自己的方式去響應(yīng)共同的消息。所謂消息，就是調(diào)用函數(shù)，不同的行為就是指不同的實現(xiàn)，即執(zhí)行不同的函數(shù)。

其實，我們已經(jīng)多次接觸過多態(tài)性的現(xiàn)象，例如函數(shù)的重載、運算符重載都是多態(tài)現(xiàn)象。只是那時沒有用到多態(tài)性這一專門術(shù)語而已。例如，使用運算符“+”使兩個數(shù)值相加，就是發(fā)送一個消息，它要調(diào)用operator +函數(shù)。實際上，整型、單精度型、雙精度型的加法操作過程是互不相同的，是由不同內(nèi)容的函數(shù)實現(xiàn)的。顯然，它們以不同的行為或方法來響應(yīng)同一消息。

在現(xiàn)實生活中可以看到許多多態(tài)性的例子。如學(xué)校校長向社會發(fā)布一個消息：9月1日新學(xué)年開學(xué)。不同的對象會作出不同的響應(yīng)：學(xué)生要準(zhǔn)備好課本準(zhǔn)時到校上課；家長要籌集學(xué)費；教師要備好課；后勤部門要準(zhǔn)備好教室、宿舍和食堂……由于事先對各種人的任務(wù)已作了規(guī)定，因此，在得到同一個消息時，各種人都知道自己應(yīng)當(dāng)怎么做，這就是 多態(tài)性。可以設(shè)想，如果不利用多態(tài)性，那么校長就要分別給學(xué)生、家長、教師、后勤部門等許多不同的對象分別發(fā)通知，分別具體規(guī)定每一種人接到通知后應(yīng)該怎么做。顯然這是一件十分復(fù)雜而細致的工作。一人包攬一切，吃力還不討好?，F(xiàn)在，利用了多態(tài)性機制，校長在發(fā)布消息時，不必一一具體考慮不同類型人員是怎樣執(zhí)行的。至于各類人員在接到消息后應(yīng)氣做什么，并不是臨時決定的，而是學(xué)校的工作機制事先安排決定好的。校長只需不斷發(fā)布各種消息，各種人員就會按預(yù)定方案有條不紊地工作。

同樣，在C++程序設(shè)計中，在不同的類中定義了其響應(yīng)消息的方法，那么使用這些類 時，不必考慮它們是什么類型，只要發(fā)布消息即可。正如在使用運算符“ ”時不必考慮相加的數(shù)值是整型、單精度型還是雙精度型，直接使用“+”，不論哪類數(shù)值都能實現(xiàn)相加?？梢哉f這是以不變應(yīng)萬變的方法，不論對象千變?nèi)f化，用戶都是用同一形式的信息去調(diào)用它們，使它們根據(jù)事先的安排作出反應(yīng)。

從系統(tǒng)實現(xiàn)的角度看，多態(tài)性分為兩類：靜態(tài)多態(tài)性和動態(tài)多態(tài)性。以前學(xué)過的函數(shù)重載和運算符重載實現(xiàn)的多態(tài)性屬于靜態(tài)多態(tài)性，在程序編譯時系統(tǒng)就能決定調(diào)用的是哪個函數(shù)，因此靜態(tài)多態(tài)性又稱編譯時的多態(tài)性。靜態(tài)多態(tài)性是通過函數(shù)的重載實現(xiàn)的（運算符重載實質(zhì)上也是函數(shù)重載）。動態(tài)多態(tài)性是在程序運行過程中才動態(tài)地確定操作所針對的對象。它又稱運行時的多態(tài)性。動態(tài)多態(tài)性是通過虛函數(shù)（Virtual fiinction)實現(xiàn)的。

下面是一個承上啟下的例子。一方面它是有關(guān)繼承和運算符重載內(nèi)容的綜合應(yīng)用的例子，通過這個例子可以進一步融會貫通前面所學(xué)的內(nèi)容，另一方面又是作為討論多態(tài)性的一個基礎(chǔ)用例。

希望大家耐心、深入地閱讀和消化這個程序，弄清其中的每一個細節(jié)。

[例] 先建立一個Point(點)類，包含數(shù)據(jù)成員x,y(坐標(biāo)點)。以它為基類，派生出一個Circle(圓)類，增加數(shù)據(jù)成員r(半徑)，再以Circle類為直接基類，派生出一個Cylinder(圓柱體)類，再增加數(shù)據(jù)成員h(高)。要求編寫程序，重載運算符“<<”和“>>”，使之能用于輸出以上類對象。

這個例題難度不大，但程序很長。對于一個比較大的程序，應(yīng)當(dāng)分成若干步驟進行。先聲明基類，再聲明派生類，逐級進行，分步調(diào)試。

1) 聲明基類Point

類可寫出聲明基類Point的部分如下：

#include <iostream>
//聲明類Point
class Point
{
public:
 Point(float x=0,float y=0); //有默認參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)
 void setPoint(float ,float); //設(shè)置坐標(biāo)值
 float getX( )const {return x;} //讀x坐標(biāo)
 float getY( )const {return y;} //讀y坐標(biāo)
 friend ostream & operator <<(ostream &,const Point &); //重載運算符“<<”
protected: //受保護成員
 float x, y;
};
//下面定義Point類的成員函數(shù)
Point::Point(float a,float b) //Point的構(gòu)造函數(shù)
{ //對x,y初始化
 x=a;
 y=b;
}
void Point::setPoint(float a,float b) //設(shè)置x和y的坐標(biāo)值
{ //為x,y賦新值
 x=a;
 y=b;
}
//重載運算符“<<”，使之能輸出點的坐標(biāo)
ostream & operator <<(ostream &output, const Point &p)
{
 output<<"["<<p.x<<","<<p.y<<"]"<<endl;
 return output;
}

以上完成了基類Point類的聲明。

為了提高程序調(diào)試的效率，提倡對程序分步調(diào)試，不要將一個長的程序都寫完以后才統(tǒng)一調(diào)試，那樣在編譯時可能會同時出現(xiàn)大量的編譯錯誤，面對一個長的程序，程序人員往往難以迅速準(zhǔn)確地找到出錯位置。要善于將一個大的程序分解為若干個文件，分別編譯，或者分步調(diào)試，先通過最基本的部分，再逐步擴充。

現(xiàn)在要對上面寫的基類聲明進行調(diào)試，檢查它是否有錯，為此要寫出main函數(shù)。實際上它是一個測試程序。

int main( )
{
 Point p(3.5,6.4); //建立Point類對象p
 cout<<"x="<<p.getX( )<<",y="<<p.getY( )<<endl; //輸出p的坐標(biāo)值
 p.setPoint(8.5,6.8); //重新設(shè)置p的坐標(biāo)值
 cout<<"p(new):"<<p<<endl; //用重載運算符“<<”輸出p點坐標(biāo)
 return 0;
}

getX和getY函數(shù)聲明為常成員函數(shù)，作用是只允許函數(shù)引用類中的數(shù)據(jù)，而不允許修改它們，以保證類中數(shù)據(jù)的安全。數(shù)據(jù)成員x和y聲明為protected，這樣可以被派生類訪問(如果聲明為private，派生類是不能訪問的）。

程序編譯通過，運行結(jié)果為：

x=3.5,y=6.4
p(new):[8.5,6.8]

測試程序檢查了基類中各函數(shù)的功能，以及運算符重載的作用，證明程序是正確的。

2)聲明派生類Circle

在上面的基礎(chǔ)上，再寫出聲明派生類Circle的部分：

class Circle:public Point //circle是Point類的公用派生類
{
public:
Circle(float x=0,float y=0,float r=0); //構(gòu)造函數(shù)
void setRadius(float ); //設(shè)置半徑值
float getRadius( )const; //讀取半徑值
float area ( )const; //計算圓面積
friend ostream &operator <<(ostream &,const Circle &); //重載運算符“<<”
private:
float radius;
};
//定義構(gòu)造函數(shù)，對圓心坐標(biāo)和半徑初始化
Circle::Circle(float a,float b,float r):Point(a,b),radius(r){}
//設(shè)置半徑值
void Circle::setRadius(float r){radius=r;}
//讀取半徑值
float Circle::getRadius( )const {return radius;}
//計算圓面積
float Circle::area( )const
{
 return 3.14159*radius*radius;
}
//重載運算符“<<”，使之按規(guī)定的形式輸出圓的信息
ostream &operator <<(ostream &output,const Circle &c)
{
 output<<"Center=["<<c.x<<","<<c.y<<"],r="<<c.radius<<",area="<<c.area( )<<endl;
 return output;
}

為了測試以上Circle類的定義，可以寫出下面的主函數(shù)：

int main( )
{
Circle c(3.5,6.4,5.2); //建立Circle類對象c，并給定圓心坐標(biāo)和半徑
cout<<"original circle:\\nx="<<c.getX()<<", y="<<c.getY()<<", r="<<c.getRadius( )<<", area="<<c.area( )<<endl; //輸出圓心坐標(biāo)、半徑和面積
c.setRadius(7.5); //設(shè)置半徑值
c.setPoint(5,5); //設(shè)置圓心坐標(biāo)值x,y
cout<<"new circle:\\n"<<c; //用重載運算符“<<”輸出圓對象的信息
Point &pRef=c; //pRef是Point類的引用變量，被c初始化
cout<<"pRef:"<<pRef; //輸出pRef的信息
return 0;
}

程序編譯通過，運行結(jié)果為：

original circle:(輸出原來的圓的數(shù)據(jù))
x=3.5, y=6.4, r=5.2, area=84.9486
new circle:(輸出修改后的圓的數(shù)據(jù))
Center=[5,5], r=7.5, area=176.714
pRef:[5,5] (輸出圓的圓心“點”的數(shù)據(jù))

可以看到，在Point類中聲明了一次運算符“ <<”重載函數(shù)，在Circle類中又聲明了一次運算符“ <<”，兩次重載的運算符“<<”內(nèi)容是不同的，在編譯時編譯系統(tǒng)會根據(jù)輸出項的類型確定調(diào)用哪一個運算符重載函數(shù)。main函數(shù)第7行用“cout<< ”輸出c，調(diào)用的是在Circle類中聲明的運算符重載函數(shù)。

請注意main函數(shù)第8行：

 Point & pRef = c;

定義了 Point類的引用變量pRef，并用派生類Circle對象c對其初始化。前面我們已經(jīng)講過，派生類對象可以替代基類對象為基類對象的引用初始化或賦值（詳情請查看：C++基類與派生類的轉(zhuǎn)換）。現(xiàn)在 Circle是Point的公用派生類，因此，pRef不能認為是c的別名，它得到了c的起始地址， 它只是c中基類部分的別名，與c中基類部分共享同一段存儲單元。所以用“cout<<pRef”輸出時，調(diào)用的不是在Circle中聲明的運算符重載函數(shù)，而是在Point中聲明的運算符重載函數(shù)，輸出的是“點”的信息，而不是“圓”的信息。

3) 聲明Circle的派生類Cylinder

前面已從基類Point派生出Circle類，現(xiàn)在再從Circle派生出Cylinder類。

class Cylinder:public Circle// Cylinder是Circle的公用派生類
{
public:
 Cylinder (float x=0,float y=0,float r=0,float h=0); //構(gòu)造函數(shù)
 void setHeight(float ); //設(shè)置圓柱高
 float getHeight( )const; //讀取圓柱高
 loat area( )const; //計算圓表面積
 float volume( )const; //計算圓柱體積
 friend ostream& operator <<(ostream&,const Cylinder&); //重載運算符<<
protected:
 float height;//圓柱高
};
//定義構(gòu)造函數(shù)
Cylinder::Cylinder(float a,float b,float r,float h):Circle(a,b,r),height(h){}
//設(shè)置圓柱高
void Cylinder::setHeight(float h){height=h;}
//讀取圓柱高
float Cylinder::getHeight( )const {return height;}
//計算圓表面積
float Cylinder::area( )const { return 2*Circle::area( )+2*3.14159*radius*height;}
//計算圓柱體積
float Cylinder::volume()const {return Circle::area()*height;}
ostream &operator <<(ostream &output,const Cylinder& cy)
{
 output<<"Center=["<<cy.x<<","<<cy.y<<"],r="<<cy.radius<<",h="<<cy.height <<"\\narea="<<cy.area( )<<", volume="<<cy.volume( )<<endl;
 return output;
} //重載運算符“<<”

可以寫出下面的主函數(shù)：

int main( )
{
 Cylinder cy1(3.5,6.4,5.2,10);//定義Cylinder類對象cy1
 cout<<"\\noriginal cylinder:\\nx="<<cy1.getX( )<<", y="<<cy1.getY( )<<", r="
  <<cy1.getRadius( )<<", h="<<cy1.getHeight( )<<"\\narea="<<cy1.area()
  <<",volume="<<cy1.volume()<<endl;//用系統(tǒng)定義的運算符“<<”輸出cy1的數(shù)據(jù)
 cy1.setHeight(15);//設(shè)置圓柱高
 cy1.setRadius(7.5);//設(shè)置圓半徑
 cy1.setPoint(5,5);//設(shè)置圓心坐標(biāo)值x,y
 cout<<"\\nnew cylinder:\\n"<<cy1;//用重載運算符“<<”輸出cy1的數(shù)據(jù)
 Point &pRef=cy1;//pRef是Point類對象的引用變量
 cout<<"\\npRef as a Point:"<<pRef;//pRef作為一個“點”輸出
 Circle &cRef=cy1;//cRef是Circle類對象的引用變量
 cout<<"\\ncRef as a Circle:"<<cRef;//cRef作為一個“圓”輸出
 return 0;
}

運行結(jié)果如下:

original cylinder:(輸出cy1的初始值)
x=3.5, y=6.4, r=5.2, h=10 (圓心坐標(biāo)x,y。半徑r，高h)
area=496.623, volume=849.486 (圓柱表面積area和體積volume)
new cylinder: (輸出cy1的新值)
Center=[5,5], r=7.5, h=15 (以[5,5]形式輸出圓心坐標(biāo))
area=1060.29, volume=2650.72(圓柱表面積area和體積volume)
pRef as a Point:[5,5] (pRef作為一個“點”輸出)
cRef as a Circle:Center=[5,5], r=7.5, area=176.714(cRef作為一個“圓”輸出)

說明：在Cylinder類中定義了 area函數(shù)，它與Circle類中的area函數(shù)同名，根據(jù)前面我們講解的同名覆蓋的原則（詳情請查看：C++多重繼承的二義性問題），cy1.area( ) 調(diào)用的是Cylinder類的area函數(shù)(求圓柱表面積)，而不是Circle類的area函數(shù)（圓面積）。請注意，這兩個area函數(shù)不是重載函數(shù)，它們不僅函數(shù)名相同，而且函數(shù)類型和參數(shù)個數(shù)都相同，兩個同名函數(shù)不在同 —個類中，而是分別在基類和派生類中，屬于同名覆蓋。重載函數(shù)的參數(shù)個數(shù)和參數(shù)類型必須至少有一者不同，否則系統(tǒng)無法確定調(diào)用哪一個函數(shù)。

main函數(shù)第9行用“cout<<cy1”來輸出cy1，此時調(diào)用的是在Cylinder類中聲明的重載運算符“<<”，按在重載時規(guī)定的方式輸出圓柱體cy1的有關(guān)數(shù)據(jù)。

main函數(shù)中最后4行的含義與在定義Circle類時的情況類似。pRef是Point類的引用變量，用cy1對其初始化，但它不是cy1的別名，只是cy1中基類Point部分的別名，在輸出pRef時是作為一個Point類對象輸出的，也就是說，它是一個“點”。同樣，cRef是Circle類的引用變量，用cy1對其初始化，但它只是cy1中的直接基類Circle部分的別名， 在輸出 cRef 時是作為Circle類對象輸出的，它是一個"圓”，而不是一個“圓柱體”。從輸 出的結(jié)果可以看出調(diào)用的是哪個運算符函數(shù)。

在本例中存在靜態(tài)多態(tài)性，這是運算符重載引起的（注意3個運算符函數(shù)是重載而不是同名覆蓋，因為有一個形參類型不同）。可以看到，在編譯時編譯系統(tǒng)即可以判定應(yīng)調(diào)用哪個重載運算符函數(shù)。