C++：多态讲解

2023-10-19 05:26

短信预约 -IT技能 免费直播动态提醒

多态

1.多态的概念

多态的概念：同样的一个行为，不同的对象去完成时会产生不同的状态。

例子：拿买票举例，军人、学生、普通人(子类)都是人(父类)，但军人买票可以优选选票，学生买票可以半价，普通人买票就要全价了。因此要实现多态必先继承。

2.多态的定义和实现

2.1多态构成条件

多态是在不同继承关系的类对象，去调用同一函数，产生了不同的行为。比如上面的例子定义父类Person，让子类Student继承Preson。Person对象买票全价，Student对象买票半价。

已经形成了继承关系，实现多态还需要以下两个条件：

必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对基类的虚函数进行重写

大家先记住这两个条件，后面讲解虚函数和多态原理后大家就明白了。

2.2虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

class Person {public://这里和菱形虚拟继承公用了关键字，但两者是没有关联的virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}};

2.3虚函数的重写(覆盖)

虚函数的重写(覆盖)：派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数(即派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。
重写比较好理解，覆盖有点原理层面的意思。

class Person {public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }};class Student : public Person {public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }  //这个写法是可以的};void Func(Person& p)  {p.BuyTicket();  //因为是父类引用去调用，所以构成多态}int main(){Person ps;Student st;Func(ps);Func(st);return 0;}

谈一谈实现继承和接口继承：

普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现。
虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

虚函数重写的例外：

协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)
派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型可以不同，但必须是父子关系的指针或者引用(也可以是其它父子类)，称为协变。

class A{};class B : public A {};class Person {public: virtual A* f() {return new A;}};class Student : public Person {public: virtual B* f() {return new B;}};

析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)
析构函数看似不同名，违背了虚函数重写的规则，但为了保证资源的正确释放，编译器会对析构函数做特殊处理，编译后会统一处理为destructor()。

class Person {public:virtual ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }};class Student : public Person {public:virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }};// 只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下面的delete对象调用析构函//数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调用析构函数。int main(){Person* p1 = new Person;Person* p2 = new Student;  //如果父类析构不设计为虚函数的话可能造成内存泄漏delete p1;delete p2;return 0;}

2.4 C++11 override 和 final

C++对虚函数重写的要求比较严格，有时会因为字母次序不同等导致无法构成重写，但这种情况编译器不会报错，等发现运行结果不对再来矫正就太麻烦了。故C++11引入了override和final两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写。

// final用来修饰虚函数用处不大，设计虚函数本就是为了让子类重写实现多态class Car{public:virtual void Drive() final {}};class Benz :public Car{public:virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }   //这里会报错};//final还可以用来修饰类，被修饰的类不能被继承class A final  {//……};class B : public A  //这里会报错{};

override: 检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写编译报错。

class Car {public:virtual void Drive() {}};class Benz :public Car {public:virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }};

2.5重载、重写(覆盖)、隐藏(重定义)的对比

重载：(1)两个函数在同一作用域内。 (2)函数名相同，参数列表必须有区别。
隐藏：(1)两个函数分别在基类和派生类的作用域。 (2)函数名相同即可。
重写：(1)两个函数分别在基类和派生类的作用域。 (2)函数名、参数、返回值都必须相同(除开例外) (3)两个函数必须都是虚函数。

上面的关系中，隐藏的条件比重写简单，也就是说两个基类和派生类的同名函数不构成重写就构成隐藏。

//重载//在同一作用域并且参数列表有区别，属于重载void fun(int a){}void fun(double a){}//隐藏//两个同名函数在基类和派生类作用域内，不构成重写就属于隐藏class A{void fun(int a){}};class B : public A{void fun(int a){}};//重写//两个同名函数在基类和派生类作用域内，并且都是虚函数//函数名、参数列表、返回值都必须一致（除去例外），才能构成重写class C{virtual void fun(int a){}};class D : public C{virtual void fun(int a){}};

3.抽象类

在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口类），抽象类不能实例化出对象。派生类继承后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，派生类才能实例化出对象。纯虚函数规范了派生类必须重写，另外纯虚函数更体现出了接口继承。

//抽象类的应用场景：比如图形就可以设计为抽象类//三角形、正方形等继承了该抽象类后重写虚函数，就形成一个具体的类，可以实例化class Graphics{public:virtual double GetArea() = 0{}//抽象类里面可以设计图形共有的接口，比如求面积等};class Square : public Graphics  //正方形{public:virtual double GetArea(){return side_length * side_length;}private:int side_length = 5;};class rotundity : public Graphics  //圆形{public:virtual double GetArea(){return 3.14 * radius * radius;}private:int radius = 5;};int main(){Square sq;rotundity ro;cout << "正方形面积：" << sq.GetArea() << endl;cout << "圆形面积：" << ro.GetArea() << endl;}

4.多态的原理

//sizeof(Base)是多少？ --答案是8(我是32位程序),除了一个int还有一个指针变量class Base{public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}private:int _b = 1;};

在这里插入图片描述

我们再看看这个指针指向的内容：

我就直接说了，这个指针指向的是一张表(指针数组)，表里面存储的是虚函数的函数地址，这个表称为虚函数表(简称虚表)，这个对象中的指针称为虚表指针。至于为什么不直接在对象中存函数地址，主要是是节省空间(所有对象可公用虚表)。为什么这样设计呢？我们接着往下看。

//编译器是在编译阶段就确定了调用是否满足多态//（1）对于满足多态的调用，编译器通过找虚表指针，接着找到虚表中函数地址进行调用//     多态调用也只是傻傻的执行指令而已//（2）对于不构成多态的普通调用，编译器通过函数名和参数类型就可以确定调用那个函数class Person {public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }};class Student : public Person {public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }};void Func(Person& p)  //满足多态条件{p.BuyTicket();}int main(){Person Mike;Func(Mike);Student Johnson;Func(Johnson);//这里不构成多态，对象调用而不是指针或引用，按正常调用规则即可Mike.BuyTicket();  return 0;}

这里可以结合汇编代码来理解：
在这里插入图片描述
虚函数重写其实就是继承父类后，拿自己的虚表去覆盖父类的虚表，因此重写也叫覆盖。

5.单继承和多继承关系的虚函数表

PS：这一部分不是特别重要。

5.1单继承

有前面的分析，单继承只需要说一点即可：对于那些未重写的虚函数，也是存在虚表中的，至于存储在第一个位置还是最后，就看编译器的实现了。

5.2多继承

class A{public:virtual void fun(int a){}};class B{public:virtual void fun(int b){}};class C : public A, public B  //继承A、B两个类{public:virtual void fun(int c){}};int main(){C c;A* p1 = new C;B* p2 = new C;p1->fun();p2->fun();delete p1, p1 = nullptr;delete p2, p2 = nullptr;return 0;}

在这里插入图片描述

上面的代码中C继承了A、B，并重写了fun()，覆盖两个位置，因此有两个虚表，这也是为了考虑A、B中不同名的虚函数，因此没有合并为一个虚表。但我们发现这两个虚表指向的内容是不一样的！！！
这实际是一种封装，代码中p1和p2最终调用的其实是同一个函数，p2在调用到真正的函数前做了一件事情，那就是调整指针变量指向。
在这里插入图片描述