C++中的多态

一、概念

多态为C++中面向对象三大特征之一，通俗地讲，就是多种形态。作用为完成某个行为，当不同（具有继承关系）的对象去完成时会产生不同的状态。

二、虚函数

1、概念

在基类中被virtual修饰并且在派生类中重新定义的类成员函数。

2、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、函数名字和参数列表完全相同，称派生类的虚函数重写（覆盖）了基类的虚函数。
• 在重写基类虚函数时，派生类的虚函数不加virtual关键字修饰虽然也可以构成重写。因为继承结束后，基类的虚函数被继承下来了，在派生类中依旧保持虚函数的属性。但是该种写法不是很规范，一般还是会加上virtual关键字进行修饰。

3、重载、覆盖（重写）、隐藏（重定义）的对比

（1）重载

• 两个函数在同一作用域。
• 函数名相同，参数（类型或者数量）不同。

（2）重写（覆盖）

• 两个函数分别在基类和派生类的作用域中。
• 函数名、参数、返回值都必须相同（协变除外）。
• 两个函数都必须是虚函数。

（3）隐藏（重定义）

• 两个函数分别在基类和派生类的作用域中。
• 函数名相同。
• 两个基类和派生类的同名函数不构成重写就是重定义。

三、多态的定义与使用

1、多态的构成条件

• 派生类必须继承基类。
• 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，并且派生类必须对基类的虚函数进行重写（覆盖）。

2、示例代码

class Base
{
public:
	virtual void Print()
	{
		cout << "Base::Print()" << endl;
	}
};

class Derive :public Base
{
	virtual void Print()
	{
		cout << "Derive::Print()" << endl;
	}
};

//void Func(Base* b)
void Func(Base& b)
{
	//b->Print();
	b.Print();
}

int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	Func(b);
	Func(d);
	
	/*Func(&b);
	Func(&d);*/
	return 0;
}

3、运行结果

四、虚函数重写的两个例外

1、协变

（1）概念

当派生类重写基类虚函数时，重写的虚函数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。返回类型除了基类和派生类（或具有其他继承关系的基类和派生类）的指针或者引用，其他的类型都不构成协变。

（2）示例代码

class A{};
class B :public A{};

class Base
{
public:
	virtual A* Func1()
	{
		return new A;
	}

	virtual Base* Func2()
	{
		return new Base;
	}
};

class Derive :public Base
{
	virtual B* Func1()
	{
		return new B;
	}

	virtual Derive* Func2()
	{
		return new Derive;
	}
};

2、析构函数的重写

（1）概念

• 如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类的析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字，都与基类的析构函数构成重写。
• 虽然基类与派生类的析构函数名字不同。但可以理解为编译器对它们的析构函数名称做了特殊处理，编译后它们的析构函数名称统一处理成destructor。
• 当基类指针指向派生类时，只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，delete该基类指针时，调用析构函数，才能构成多态。这样才能保证指针指向的对象正确的调用析构函数，否则它将调用基类的析构函数而不是调用派生类的析构函数。

（2）示例代码

class Base
{
public:
	virtual ~Base()
	{
		cout << "~Base()" << endl;
	}
};

class Derive :public Base
{
public:
	virtual ~Derive()
	{
		cout << "~Derive()" << endl;
	}
};

int main()
{
	Base* p1 = new Base;
	Base* p2 = new Derive;
	
	delete p1;
	delete p2;

	return 0;
}

（3）运行结果

五、override和final

1、override

（1）作用

检查用override修饰的派生类虚函数是否重写了基类的某个虚函数，如果没有重写则报错。

（2）代码

class Base
{
public:
	virtual void Func()
	{
		cout << "Base::Func()" << endl;
	}
};

class Derive :public Base
{
public:
	virtual void Func1() override
	{
		cout << "Derive::Func()" << endl;
	}
};

（3）编译器报错

2、final

（1）作用

修饰虚函数，表明该虚函数不能被重写。

（2）代码

class Base
{
public:
	virtual void Func()final
	{
		cout << "Base::Func()" << endl;
	}
};

class Derive :public Base
{
public:
	virtual void Func()
	{
		cout << "Derive::Func()" << endl;
	}
};

（3）编译器报错

六、抽象类

1、概念

• 在虚函数的后面写上 =0 ，则这个虚函数称为纯虚函数。包含纯虚函数的类称为抽象类，也称为接口类。
• 抽象类不能实例化出对象，派生类继承抽象类后也不能实例化出对象。只有派生类重写纯虚函数，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基类的纯虚函数，体现了接口继承。

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，可以使用基类的函数，继承的是函数的实现。
• 纯虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类该纯虚函数的接口，目的是为了重写它，达成多态。所以，如果不实现多态，不要把函数定义成纯虚函数。

3、代码

class Base
{
public:
	virtual void Func() = 0;
};

class Derive :public Base
{
public:
	virtual void Func()
	{
		cout << "Derive::Func()" << endl;
	}
};

int main()
{
	//Base b;
	Derive d;
	d.Func();
	return 0;
}

4、运行结果

5、错误代码

class Base
{
public:
	virtual void Func() = 0;
};

class Derive :public Base
{
public:
	/*virtual void Func()
	{
		cout << "Derive::Func()" << endl;
	}*/
};

int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	d.Func();
	return 0;
}

6、编译器报错

七、虚函数表

1、代码

class Base
{
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base::virtual void Func1()" << endl;
	}
	/*virtual void Func2()
	{
		cout << "Base::virtual void Func2()" << endl;
	}
	void Func3()
	{
		cout << "Base::void Func3()" << endl;
	}*/
private:
	int _b = 1;
};

//class Derive :public Base
//{
//	virtual void Func1()
//	{
//		cout << "Derive::virtual void Func1()" << endl;
//	}
//private:
//	int _d = 2;
//};

int main()
{
	Base b;
	cout << sizeof(b) << endl;
	//Derive d;
	return 0;
}

2、运行结果与调试窗口查看

3、说明

• 在上方代码中，用sizeof函数计算具有虚函数的类时，得出的结果是16bytes（64位平台下的VS编译器）。
• 在调式窗口下，对象b中除了_b成员，还有一个__vfptr放在对象的前面（__vfptr在对象中的位置与编译器有关，此处为VS编译器下的情况）。
• 对象中的__vfptr指针称为虚函数表指针。其中，v代表virtual，f代表function。
• 一个含有虚函数的类中至少都有一个虚函数表指针（简称为虚表指针），因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表简称为虚表，虚表指针指向虚表。

4、将代码中的注释部分展开后的调试窗口查看

5、说明

• 派生类对象由两部分构成，一部分是从基类继承下来的成员，另一部分是自己的成员。派生类对象也有一个虚表指针。
• 基类b对象和派生类d对象的虚表是不一样的。在派生类中，Func1完成了重写，所以d的虚表中存的是派生类重写的Derive::Func1，即派生类的Func1函数覆盖了基类的Func1函数。所以虚函数的重写（语法层次）也称为覆盖（原理层次）。
• 因为基类中Func2函数被派生类继承下来后是虚函数，所以它会被放进派生类的虚表中。但因为派生类没有对它进行重写，所以Func2函数在该虚表中和在基类中的一致。
• 函数Func3也会被继承下来，但因为它不是虚函数，所以不会放进派生类的虚表中。
• 虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况下，这个指针数组最后面放了一个nullptr。

6、派生类虚表的生成

• 先将基类中的虚表内容拷贝到派生类虚表中，如果派生类重写了基类中的某个虚函数，就用派生类重写的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数。
• 派生类新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序，依次增加到派生类虚表的最后面。

7、虚函数与虚表

• 因为虚表中存的是指向虚函数的指针，而不是虚函数。所以，虚函数和普通函数一样，都存在代码段中。
• 对象中存的不是虚表，而是虚表指针。在VS编译器下，虚表存在代码段中。

八、动态绑定与静态绑定

• 静态绑定又称为前期绑定（早绑定），指在程序编译期间就确定了程序的行为，也称为静态多态，如函数重载。
• 动态绑定又称后期绑定（晚绑定），指在程序运行期间，根据具体拿到的类型确定程序的具体行为，进而调用具体的函数，也称为动态多态。

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