C++学习之多态的使用详解

目录

• 前言
• 多态
• 向上转型
• 向下转型
• 作用域

前言

最近为了完成数据库系统的实验，又复习起了《C++ Primer》，上一次看这本巨著也是大二下的六月份，那时看面向对象程序编程这一章还云里雾里的，没有领会多态的奥妙，学完 Java 之后回头再看这一章发现对多态有了更好的理解。好记性不如烂笔头，本篇博客将会对 C++ 的多态机制做一个不太详细的总结，希望下一次不需要从头再看一遍《C++ Primer》了 _(:з」∠)_。

多态

多态离不开继承，首先来定义一个基类 Animal，里面有一个虚函数 speak()：

class Animal {
public:
    Animal() = default;
    Animal(string name) : m_name(name) {}
    virtual ~Animal() = default;

    virtual void speak() const { cout << "Animal speak" << endl; }
    string name() const { return m_name; }

private:
    string m_name;
};

接着定义子类 Dog，并重写虚函数，由于构造函数无法继承，所以使用 using 来 “继承” 父类的构造函数。和父类相比，Dog 还多了一个 bark() 方法。

class Dog : public Animal {
public:
    using Animal::Animal;

    // 可加上 override 声明要重写虚函数，函数签名必须和基类相同（除非返回类自身的指针或引用）
    void speak() const override { cout << "Dog bark" << endl; }
    void bark() const { cout << "lololo" << endl; }
};

向上转型

我们在堆上创建一个 Dog 对象，并将地址赋给一个 Animal 类型的指针。由于指针指向的是个 Dog 对象，调用 speak() 方法时，实际上调用的是底层狗狗重写之后的 speak() 方法，而不是基类 Animal 的 speak()。也就是说编译时不会直接确定要调用的是哪个 speak() ，要在运行时绑定。

Animal* pa = new Dog("二哈");
pa->speak(); // 调用的是 Dog::speak
pa->Animal::speak(); // 强制调用基类的 speak

利用运行时绑定这一特点，我们将基类的析构函数定义为虚函数，这样子类对象在析构的时候就能调用自己的虚函数了。

虽然 pa 指向的是一个 Dog 对象，但是不能使用 bark() 方法。因为 pa 是一个 Animal 类型的指针，在编译时编译器会跳过 Dog 而直接在 Animal 的作用域中寻找 bark 成员，结果发现并不存在此成员而报错。

要实现向上转型不止能用指针，引用同样可以实现。但是如果写成以下这种形式，实质上是调用了拷贝构造函数，会用 Dog 的基类部分来初始化 Animal 对象，和向上转型没有任何关系，之后调用的就是底层 Animal 对象的 speak() 方法：

Dog dog("二哈");
Animal animal = dog;
animal.speak(); // 调用的是 Animal::speak

向下转型

要想调用底层 Dog 对象的 bark() 方法，我们需要将 pa 强转为 Dog 类型的指针。一种方法是使用 static_cast 进行静态转换，另一种这是使用 dynamic_cast 进行运行时转换。相比于前者，dynamic_cast 转换失败的时候会返回空指针，而 dynamic_cast 则会报 bad_cast 错误，因此更加安全。

Dog* pd_ = static_cast(pa);
pd_->bark();

if (Dog* pd = dynamic_cast(pa)) {
    pd->bark();
} else {
    cout << "转换失败" << endl;
}

作用域

子类的作用域是嵌套在父类里面的，在子类的对象上查找一个成员时，会现在子类中查找，如果没找到才回去父类中寻找。由于作用域的嵌套，会导致子类隐藏掉父类中的同名成员。比如下述代码：

class Animal {
public:
    virtual void speak() const
    {
        cout << "Animal speak" << endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    // void speak() const override { cout << "Dog speak" << endl; }
    void speak(string word) const
    {
        cout << "Dog bark: " + word << endl;
    }
};

int main(int argc, char const* argv[])
{
    Animal* pa = new Dog();
    Dog* pd = new Dog();
    // pd->speak(); 报错
    pd->speak("666"); // Dog::speak 隐藏了 Animal::speak
    return 0;
}

我们在父类中定义了一个虚函数 void speak()，子类中没有重写它，而是定义了另一个同名但是参数不同的函数 void speak(string word)。这时候子类中的同名函数会隐藏掉父类的虚函数，如果写成 pd->speak()，编译器会先在子类作用域中寻找名字为 speak 的成员，由于存在 speak(string word)，它就不会接着去父类中寻找了，接着进行类型检查，发现参数列表对不上，会直接报错。如果用了 VSCode 的 C/C++ 插件，可以看到参数列表确实只有一个，没有提示有重载的同名函数。

要想通过调用基类的 speak() 方法，有两种方法：

• 向上转型，使用基类的指针 pa 来调用 pa->speak()，由于子类没有重写虚函数，所以在动态绑定时会调用父类的虚函数；
• 使用作用域符强制调用父类的虚函数：pd->Animal::speak()

《C++ Primer》对名字查找做了一个非常好的总结：

理解函数调用的解析过程对于理解 C++ 的继承至关重要，假定我们调用 p->mem() (或者 obj.mem())，则依次执行以下4个步骤：

1.首先确定 p (或 obj) 的静态类型。因为我们调用的是一个成员，所以该类型必 然是类类型。

2.在 p (或 obj ) 的静态类型对应的类中查找 mem。如果找不到，则依次在直接基类中不断查找直至到达继承链的顶端。如果找遍了该类及其基类仍然找不到，则编译器将报错。

3.一旦找到了 mem，就进行常规的类型检查以确认对于当前找到的 mem,本次调用是否合法。

4.假设调用合法，则编译器将根据调用的是否是虚函数而产生不同的代码：

• 如果mem是虚函数且我们是通过引用或指针进行的调用，则编译器产生的代 码将在运行时确定到底运行该虚函数的哪个版本，依据是对象的动态类型。
• 反之，如果 mem 不是虚函数或者我们是通过对象（而非引用或指针）进行的调用，则编译器将产生一个常规函数调用。

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