C++之多态

目录

一、多态的概念

二、多态两个的条件

1、虚函数重写

①虚函数定义

②虚函数的重写/覆盖的条件

2、父类指针或引用去调用虚函数

 三、多态本质原理

四、析构函数的重写

五、C++新加的final、override关键字用法

 1、final的用法

2、override的用法

六、重载，重写（覆盖），重定义（隐藏）的区别

1、重载

2、重写（覆盖）

3、重定义（隐藏）

七、抽象类

八、虚表

1、虚表特性

①、同一个类型公用一个虚表

②、子类父类虚表不同

③、虚函数都会进虚表

2、多继承中的虚表

九、虚函数相关问题

1、inline函数可以是虚函数吗？

2、静态成员函数可以是虚函数吗？

3、构造函数可以是虚函数吗？

4、析构函数可以是虚函数吗？

5、拷贝构造可以是虚函数吗？

6、operator=可以是虚函数吗？

7、对象访问普通函数和虚函数哪个更快？

8、虚函数是什么阶段生成的？是存在哪里的？

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一、多态的概念

多态就是指不同的对象完成某个行为，会产生不同的状态

学生，普通成年人，老年人这三种不同的对象，在坐公交车这个行为上，会产生不同的状态，这就是我们所说的多态

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二、多态两个的条件

1、虚函数重写

①虚函数定义

virtual + 成员函数 构成了虚函数

注意：在继承中，菱形虚拟继承那里也用了virtual，但是这两个virtual用法完全不同，只是都用了virtual这个关键字，千万不要混为一谈

②虚函数的重写/覆盖的条件

虚函数 + 三同（函数名，参数，返回值），满足这个条件就是重写

如果不符合重写，就是我们继承知识中出现的隐藏关系

关于虚函数的重写C++有个2个特例

第一，如果子类的虚函数不加virtual，依旧构成重写，但是还是建议加上

可以理解为：它会认为子类已经继承父类的虚函数，子类只是改写虚函数的实现部分

第二，重写的协变

虚函数的返回值可以不同，但是必须是父子关系的指针或引用，这里的父子关系可以是本身继承的父子关系，也可以是其他的和本身毫不相关的父子关系

2、父类指针或引用去调用虚函数

下面举个样例帮助理解多态的两个条件：

运行结果是：

接下来具体理解上方样例：

1、首先看是否满足多态的第一个条件：虚函数的重写

A类，B类，C类都有Print函数，这三个Print函数前都有关键字virtual，满足虚函数；这三个Print函数也满足三同，即函数名，参数，返回值相同，因此满足虚函数重写的两个条件即：函数 + 三同（函数名，参数，返回值）

2、接着看是否满足多态的第二个条件：父类指针或引用去调用虚函数

如上图，有一个函数Test，它的参数是父类引用即A& a，a去调用了虚函数Print，因此满足父类指针或引用去调用虚函数

分析后得知，上方代码完美满足多态的两个条件，看运行结果也可以得知，aa，bb，cc三个不同类型的对象，完成共同的行为Print，会产生不同的状态。

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 三、多态本质原理

如果符合多态的两个条件，那么调用时，会到指定对象的虚函数表（简称虚表，本质是函数指针数组）里面找到对应的虚函数地址，进行调用

下面看代码样例：

运行结果：

  

父类A中，有两个虚函数，分别是Print和Func，子类中有一个虚函数Print

Print这个虚函数满足虚函数的重写，并且中间的Test函数也满足了多态的第二个条件，父类指针或引用去调用虚函数，所以完成多态

然后通过调试，用监视窗口观察，A类成员aa和B类成员bb的具体情况：

aa：

bb:

 观察上面的监视窗口，可以看到，两个对象都有虚表_vfptr，打开虚表可以看到，都包含了两个虚函数的地址，图中我用箭头标注了，可以看到符合多态的Print函数，aa和bb的Print函数分别是各自作用域的，即A::Print()和B::Print()，地址是不同的，从而在调用Print函数时，完成的状态是不同的；而不符合多态的aa和bb的Func函数都显示A::Func()，所以地址是相同的，完成的状态自然是相同的

这里就可以非常清楚的说明了多态的调用，是在程序运行时去指向对象的虚表中找到函数的地址，然后再进行调用；而普通函数的调用，是在编译连接时确定函数的地址，运行时直接调用

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四、析构函数的重写

首先，我们建议在继承中析构函数定义成虚函数

析构函数名都会被处理成的destructor，所以析构函数能够满足虚函数的重写的要求，这样可以保证在下面的情况下，p1和p2所指向的对象能够正确的调用析构函数：

 上面这种情况，如果析构函数不是虚函数，那么就不满足实际需求，我们的p1是new了一个A对象，调用A的析构函数是正确的，但是p2，new了一个B对象，调用的本该是B的析构函数，却也调用的是A的析构函数，因为这是普通调用，在编译时就会确定函数地址，只看到了A*，却没有看到后面new的对象不同，明显有很大问题。

这个场景所需要的是，p1调用A的析构，p2调用B的析构，多态的应用场景，所以我们将析构函数都变为虚函数，即：

 这时析构函数符合多态调用，p1调用A类（父类）的析构，p2调用B类（子类）的析构函数后自动调用A类（父类）的析构函数，所以运行结果就如上图所示，满足需求了

指向父类调父类的析构函数；指向子类调子类的析构函数

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五、C++新加的final、override关键字用法

 1、final的用法

修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

 在父类虚函数Print后面加一个final，子类就无法重写这个虚函数，报错也是这样描述的

2、override的用法

检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写则编译报错

如图，去掉父类的virtual，在子类虚函数的后面加override，如果没有进行虚函数的重写，则会直接报错 

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六、重载，重写（覆盖），重定义（隐藏）的区别

重载，重写，重定义这三种都是函数之间的关系，他们有一定的区别：

1、重载

①两个函数都在同一个作用域

②函数名必须相同，参数不同（类型，顺序，个数）

2、重写（覆盖）

①两个函数分别在基类和派生类的作用域中

②函数名，参数，返回值必须相同（除了特例：重写的协变可以返回值不同）

③两个函数必须是虚函数

3、重定义（隐藏）

①两个函数分别在基类和派生类的作用域中

②函数名相同

③两个基类和派生类的同名函数不构成重写就是重定义

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七、抽象类

在虚函数的后面加上=0，这个函数就被称为纯虚函数，而包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口类）

即：

抽象类的特点是不能实例化出对象

抽象类是现实生活中没有对应的具体实体，比如说动物，并不是实体，是虚拟的统称，用老虎这个具体的实体去继承动物 

纯虚函数规范了派生类必须重写，如果不重写就会出现这种报错：

所以是间接强制去重写，不重写就不能实例化对象，而上面的override是直接强制检查重写的

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八、虚表

下面都是在VS环境下的示例

1、虚表特性

①、同一个类型公用一个虚表

 

②、子类父类虚表不同

不管是否重写，子类和父类虚表都不是同一个

③、虚函数都会进虚表

父类和子类Print虚函数重写， 父类有虚函数testA，子类有虚函数testB

A的虚表中有两个虚函数，分别是A的Print和testA函数

B的虚表中有三个虚函数，分别是B的Print，A的testA和B的testB函数

A、B的虚函数都进入虚表中

2、多继承中的虚表

有一个子类C继承了两个父类A和B类

 A，B，C类具体内容如下：

重写了虚函数Print，剩下的三个类中各自的testA，testB，testC都没有重写

所以如果创建C cc，cc在内存中就有A和B两个父类的所有成员，即A和B类分别拥有的虚表和_a,_b，还有cc自己的_c，子类自己未重写的虚函数，则会在多继承中的第一个父类的虚表里，即C类中的testC()在A类的虚表里，因为class C : public A, public B代码中，先继承的A类，cc对象内存中结构是这样的：

监视窗口：

cc对象中继承的A的_vfptr（虚表）中有：C::Print()、A::testA()、C::testC()；B的_vfptr（虚表）中有：C::Print()、B::testB()

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九、虚函数相关问题

1、inline函数可以是虚函数吗？

可以，因为inline只是建议性关键字，并不强制内联，在完成多态时编译器会忽略inline属性，即inline关键字失效，这个函数将不再是inline，因为虚函数会放到虚函数表中需要存一个地址，而inline函数会在调用的地方展开，没有地址，所以会忽略inline属性

2、静态成员函数可以是虚函数吗？

不可以，因为静态成员函数没有this指针，使用类型::成员函数的调用方法，是在编译时决议的，而虚函数是为了实现多态，多态是在运行时去虚表找决议，所以静态成员函数是虚函数没有任何价值

3、构造函数可以是虚函数吗？

不可以，virtual函数是为了实现多态，运行时去虚表找对应的虚函数进行调用，而对象中的虚表指针都是构造函数初始化列表阶段才初始化的，所以没有意义

4、析构函数可以是虚函数吗？

可以，上面知识有说到

5、拷贝构造可以是虚函数吗？

不可以，拷贝构造也是构造函数

6、operator=可以是虚函数吗？

可以，但是没有任何实际的价值

7、对象访问普通函数和虚函数哪个更快？

在虚函数不构成多态时，一样快

在虚函数构成多态时，普通函数快，因为多态调用是运行时去虚表中找虚函数地址

8、虚函数是什么阶段生成的？是存在哪里的？

编译阶段就生成好的，存在代码段（常量区）

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C++三大特性之多态相关知识总结就是这些