【C++】“多态”特性-海口c网

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文章目录

一、多态的概念
二、多态的定义实现
- 1. 多态的构成条件
- - 1.1 虚函数
  - 1.2 虚函数的重写
- 2. 多态的调用
- 3. 虚函数重写的其他问题
- - 3.1 协变
  - 3.2 析构函数的重写
三、override和final关键字
四、重载/重写/隐藏的对比
五、纯虚函数和抽象类
六、多态的原理

C++的三大主要特性：封装（类和对象）、继承、多态。前两者我们已经学习过了，今天最后来认识一下“多态”特性。

一、多态的概念

多态，就是“多种形态”，指函数的行为可以有多种形态。多态一般分为编译时多态（静态多态）和运行时多态（动态多态）。其中，编译时多态主要就是之前讲的函数重载和函数模板，它们传不同类型的参数就可以调用不同的函数，通过参数的不同达到不同的形态效果，之所以叫编译时多态，是因为传参匹配这一过程是在编译时期完成的。
运行时多态，具体指一个函数传不同的对象就会完成不同的行为，达到多种形态。比如写一个买火车票行为，传普通人类对象是“全价”，传学生类对象是“打折”，传军人类对象就是“优先”，一个函数（行为），根据传的对象类型不同，就有不同作用。今天谈的“多态”指的主要就是运行时多态。

二、多态的定义实现

1. 多态的构成条件

（运行时）多态是一个继承体系下的类对象，去调用同一函数，而产生不同的行为。比如，Person类为基类，Student类继承了Person类，Soldier类继承了Person类，那么这三类的对象买票行为就有不同的效果。

实现多态还有两个重要的条件：

必须是基类的指针类型或引用类型去调用虚函数。
被调用的函数必须是虚函数，并且完成了虚函数的重写（覆盖）。

我们依次来说明：
要实现多态效果，首先必须是基类的指针或引用去调用，因为只有这样才既能指向基类对象又能指向派生类对象（的基类的切片）。
第二，派生类必须对基类的虚函数完成重写，重写了，基类和派生类才能有这个函数的不同实现方法，多态的不同形态效果才能达到。

1.1 虚函数

类的成员函数前加关键字virtual修饰，那么这个成员函数被称为虚函数，非成员函数不能加virtual修饰。如：

class Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "全价" << endl;}
};

虚函数的存在就是为了给多态服务的。

1.2 虚函数的重写

虚函数的重写指：派生类中有一个跟基类虚函数“三同”的虚函数，则称派生类的这个虚函数完成了对基类虚函数的重写。“三同”指的是，函数名相同、返回类型相同、参数类型。
在派生类中重写基类虚函数时，派生类的虚函数前可以不加virtual修饰，也可以构成重写，因为继承后基类的虚函数在派生类中仍保持虚函数属性。但是这种写法不规范，实际使用还是建议派生类的虚函数前写上virtual（但基类的虚函数前是必须写virtual的）。不过在考试中也有可能故意埋这个坑，注意判断。
举例：

class Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "全价" << endl;}
};class Student : public Person
{
public:// 注意保证“三同”virtual void BuyTicket(){cout << "打折" << endl;}
};

2. 多态的调用

利用多态的特性，我们可以模拟出简单的买火车票行为：传普通人类对象是“全价”，传学生类对象是“打折”，传军人类对象就是“优先”：

class Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "全价" << endl;}
};class Student : public Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "打折" << endl;}
};class Soldier : public Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "优先" << endl;}
};

但是记得刚才说的多态的第一个条件，必须是基类的指针类型或引用类型去调用虚函数，比如：
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3. 虚函数重写的其他问题

3.1 协变

派生类重写基类虚函数时，重写时虚函数返回类型也可以不一样。基类虚函数可以返回自己或其他基类对象的指针或引用，派生类虚函数可以返回自己或其他派生类对象的指针或引用。这种方式称为卸变，但是它的实际意义并不大，简单了解即可。

class Person
{
public:virtual Person* BuyTicket(){cout << "全价" << endl;return nullptr;}
};class Student : public Person
{
public:virtual Student* BuyTicket(){cout << "打折" << endl;return nullptr;}
};

或

class A
{ };class B : public A
{ };class Person
{
public:virtual A* BuyTicket(){cout << "全价" << endl;return nullptr;}
};class Student : public Person
{
public:virtual B* BuyTicket(){cout << "打折" << endl;return nullptr;}
};

3.2 析构函数的重写

析构函数十分特殊，编译器会对析构函数的名字进行特殊处理——编译后析构函数的名称会统一处理成destructor，再加上析构函数都是没有返回、没有参数的。因此，基类和派生类的析构函数总会构成“三同”，如果不加virtual修饰成虚函数，那么基类和析构函数既然是“同名”的，就构成隐藏关系了。所以，基类的析构函数一定要加virtual修饰成虚函数，派生类析构函数的virtual可写可不写。

比如：

class A
{
public:~A(){cout << "~A()" << endl;}
};class B : public A
{
public:~B(){cout << "~B()" << endl;delete p;}
protected:int* p = new int[10];
};

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可见，如果~A()不加virtual，那么delete p2时只会调用A的析构函数，没有调用B的析构函数，导致了内存泄漏问题。

这样就没问题了。
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总而言之，基类的析构函数建议设计为虚函数。

三、override和final关键字

C++提供了两个新的关键字：

override：
C++对虚函数重写的要求是很严格的，但是有时候我们可能粗心没有满足多态的要求，但是语法没问题编译也不会有问题，只有在运行结果不是预期情况下我们才能发现问题。因此C++11提供了override关键字，写在派生类的想要重写的虚函数后，帮助用户检测是否完成了重写。
final
之前继承提到过，如果一个类不想被继承，就在类名后加final修饰。除此之外final还有一个功能，如果我们不想让基类的虚函数被重写，就在这个虚函数()后加final修饰。

四、重载/重写/隐藏的对比

这三个概念比较相近，要注意区别：

函数重载：

两个函数在同一作用域
函数名相同，参数的类型或个数不同，返回值可同可不同

虚函数重写：

两个函数分别在一个继承体系的基类和派生类中
函数名、参数、返回值相同，协变除外
两个函数必须都是虚函数

隐藏：

两个函数分别在一个继承体系的基类和派生类中
函数名相同
两个函数只要不构成重写，就是隐藏关系
基类和派生类的成员变量相同也构成隐藏关系

五、纯虚函数和抽象类

如果在一个虚函数的()后写上= 0，则这个虚函数称为纯虚函数，纯虚函数不需要定义实现（可以实现但是没有意义），只要声明即可。
包含纯虚函数的类称为抽象类，抽象类不能实例化出对象，如果一个抽象类的派生类继承后不重写纯虚函数，则派生类也是抽象类。可以认为，纯虚函数一定程度上强制派生类重写虚函数，因为不重写不实例化出对象。

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六、多态的原理

还是看一开始的例子：

class Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "全价" << endl;}
};class Student : public Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "打折" << endl;}
};class Soldier : public Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "优先" << endl;}
};
int main()
{Person per;Student stu;Soldier sol;Person* ptr;ptr = &per;ptr->BuyTicket(); ptr = &stu;ptr->BuyTicket();ptr = &sol;ptr->BuyTicket();return 0;
}

调试观察，可以发现：
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每一个对象的第一个成员都是一个叫__vfptr的指针（有些平台可能会把它放在最后一个），这个指针叫做虚函数表指针，指向这个类的虚函数表。一个含有虚函数的类中都至少有一个虚函数表指针，一个类所有虚函数的地址都会存在一个虚函数表中，虚函数表实际上就是函数指针数组，也称虚表。