【C++】一文带你吃透C++多态-Toy模板网

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【C++】一文带你吃透C++多态 @TOC

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

前言

C++的三大特性就是继承，封装，多态，上一篇博客我们已经学习了C++继承，这篇文章让我们一起走进C++多态的学习。多态、多态、是多种状态的意思吗？多态又是靠什么实现的呢？---- 详情请看这篇博客

🍎1、多态的概念

🍇1.1多态的概念
多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

打个比方：买动车票的时候，会有学生票、成人票、军人优先通道之类的，就是说，对于买票这件事，不同的人去买，会有不同的效果，多态就是实现不同的对象去完成同一件事时会有不同的效果。

🍇1.2多态的定义和构成条件
多态的定义：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Student继承了Person。Person对象买票全价，Student对象买票半价。
继承中构成多态的两个条件：

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

🍎2、详解虚函数

🍇2.1虚函数的概念以及为什么要引入虚函数
虚函数的概念：虚函数即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。
虚函数定义：语法形式

class X{
……
virtual  返回类型  函数名(函数参数表);    //虚函数(成员)声明
……
}

虚函数的引入: 赋值相容性

由赋值相容性，通过基类指针、基类引用，都只能访问到派生类从基类中继承到的成员(基类子对象中的成员)，不能访问到派生类中定义的成员。

所以，我们如何通过基类指针/引用访问派生类中定义(增加)的成员？
答案：通过基类指针（或基类引用）可以访问到派生类中 ‘重’定义的成员。
所以我们得出虚函数的意义：
基类指针（或引用）指向派生类的对象时，通过该指针（或引用）访问派生类中的虚函数，将调用该指针（或引用）实际所指对象的函数成员！

🍇2.2虚函数的重写
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。

代码示例：

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; }
/*注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后
基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性),但是该种写法不是很规范，不建议这样使用*/
 /*void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }*/
};
void Func(Person& p)
{ p.BuyTicket(); }
int main()
{
 Person ps;
 Student st;
 
 Func(ps);
 Func(st);
 return 0;
}

虚函数重写的两个例外：

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不同。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引
用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时，称为协变。
代码示例：

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)
如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字，都与基类的
析构函数构成重写，虽然基类与派生类析构函数名字不同。虽然函数名不相同，看起来违背了重写的规
则，其实不然，这里可以理解为编译器对析构函数的名称做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处
理成destructor。
代码示例：

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;
 delete p1;
 delete p2;
 return 0;
}

🍇2.3虚函数的特性
有 3种类型的函数成员不能定义为虚函数。

类的构造函数和静态函数成员不能定义为虚函数，只有类的非静态函数成员才能被定义为虚函数。
内联函数也不能定义为虚函数。

🍇2.4 C++11 override 和 final
C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此：C++11提供了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

class D1 :public D {
public:
    void g1(int x) final { cout << x; }       //正确，不允许D1的派生类覆盖g1
    void  f(int y) final {cout<<y;}          //错误，f不是虚函数
};
class D2 :public D1 {
    void g1(int a)override { cout << a; }   //错误，D1已声明g1为final
};

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、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
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🍎3、抽象类

🍇3.1 概念
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。

定义纯虚函数的语法格式：

class X {
	virtual  ret_type   func_name (params) = 0;
}

抽象类的主要用途——作为“接口”
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抽象图形类代码示例：

#include <iostream>
using namespace std;
class Figure{                                    
protected:
    double x,y;
public:
    void set(double i,double j){ x=i; y=j; }
    virtual void area()=0;		//纯虚函数
};

class Triangle:public Figure{
public:
    void area(){cout<<"三角形 面积："<<x*y*0.5<<endl;}//重写基类纯虚函数
};

class Rectangle:public Figure{
public:
    void area(int i){cout<<"矩形 面积："<<x*y<<endl;}	//‘不是’基类纯虚函数的重写
}; 

int main(){
    Figure *pF;				//基类（抽象类）指针
	//  Figure f1;			//L1，错误
	//  Rectangle r;		//L2，错误

    Triangle t;			//L3: 派生类（实体类）对象t
    t.set(10,20);

    pF=&t;					
    pF->area();			//L4: 调用派生类的虚函数area()

    Figure &rF=t;
    rF.set(20,20);
    rF.area();				//L5
}

🍇3.2 接口继承和实现继承
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。

🍎4.多态的原理

🍇4.1虚函数表
让我们一起分析一下下面这个题目：

class Base
{
public:
 virtual void Func1()
 {
 cout << "Func1()" << endl;
 }
private:
 int _b = 1;
};

问：sizeof(Base)是多少？
通过观察测试我们发现b对象是8bytes，除了_b成员，还多一个__vfptr放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f代表function)。一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表，
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针对上面的代码我们做出以下改造
1.我们增加一个派生类Derive去继承Base
2.Derive中重写Func1
3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3

class Base
{
public:
 virtual void Func1()
 {
 cout << "Base::Func1()" << endl;
 }
 virtual void Func2()
 {
 cout << "Base::Func2()" << endl;
 }
 void Func3()
 {
 cout << "Base::Func3()" << endl;
 }
private:
 int _b = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
 virtual void Func1()
 {
 cout << "Derive::Func1()" << endl;
 }
private:
 int _d = 2;
};
int main()
{
 Base b;
 Derive d;
 return 0;
}

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通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：

派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，虚表指针也就是存在部分的另一部分是自己的成员。
基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，这里我们发现Func1完成了重写，所以d的虚表中存的是重写的Derive::Func1，所以虚函数的重写也叫作覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。
另外Func2继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，Func3也继承下来了，但是不是虚函数，所以不会放进虚表。
虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况这个数组最后面放了一个nullptr。
总结一下派生类的虚表生成：a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中 b.如果派生类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数 c.派生类自己新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。
注意虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。

多态调用和普通调用的区别：
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🍇父类赋值给子类对象也可以切片，但是为什么实现不了多态？
原因：对象无法实现多态，因为实现多态需要拷贝虚表，但是对象切片时，子类不会拷贝父类的虚表。