C++多态

Posted 2023-02-18 山舟

文章目录

• 概念
• 一、多态的定义及实现
• • 1.多态的构成条件
  • 2.virtual关键字和虚函数
  • 3.虚函数重写
  • 4.虚函数重写的三个例外
  • • （1）协变
    • （2）析构函数重写
    • • ①不需要重写虚构函数
      • ②需要重写析构函数
    • （3）子类的虚函数可以不用virtual修饰
  • 5.final
  • 6.override
• 二、抽象类
• • 1.概念
  • 2.接口继承和实现继承
• 三、多态的原理
• • 1.引出虚函数表指针
  • 2.虚函数表
  • 3.多态的原理
• 四、静态绑定和动态绑定
• 感谢阅读，如有错误请批评指正

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声明：本文中的代码及运行结果均是在32位平台下、VS2022中的测试结果。

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概念

通俗来说就是多种形态，具体一些就是对于某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

再进一步到C++中，就是函数调用的多种形态，这一特性可以让我们在调用函数时更加灵活。

多态又分为静态多态和动态多态：

• 静态多态：主要指函数重载。
• 动态多态：主要指父类的指针或引用调用、重写虚函数。如果父类的指针或引用指向父类，就调用父类的虚函数；如果父类的指针或引用指向某个子类，就调用那个子类的虚函数。

静态多条在前面讲过，本篇主要讲动态多态，从其定义中就可看出，这里和继承关系非常密切，所以如果对继承不太熟的读者，可以到【C++】继承 了解一下。

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一、多态的定义及实现

1.多态的构成条件

多态是指不同继承关系的类对象，调用同一函数时产生了不同的行为。比如Student（学生）继承了Person（承认），Person对象在买票这一行为上需要全价，而Student对象买票半价。

在继承中要构成多态还有两个条件：

1. 必须通过父类的指针或者引用调用虚函数
2. 被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对父类的虚函数进行重写

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2.virtual关键字和虚函数

在成员函数前加virtual关键字后，该函数就变为虚函数（注意一般的函数前不可以加virtual）。

示例代码如下：

class Person

public:
	virtual void BuyTickets()
	
		cout << "全价票" << endl;
	
;

virtual void func()

编译结果如下：

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注意：

1. 只有类的非静态成员函数才可以成为虚函数。
2. 虚函数和虚继承都用到了virtual关键字，但二者之间没有任何关系。虚函数使用virtual是为了实现多态，而虚继承是为了解决菱形继承中产生的数据冗余和二义性问题，它们之间没有关联。

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3.虚函数重写

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、参数列表完全相同，这时称子类的虚函数重写了基类的虚函数。

示例代码如下：

class Person //父类

public:
	virtual void BuyTickets()
	
		cout << "全价票" << endl;
	
;

class Student : public Person //派生类继承父类

public:
	virtual void BuyTickets() //虚函数重写
	
		cout << "半价票" << endl;
	
;

void func(Person& p) //代码以引用为例，指针同理

	p.BuyTickets(); // 调用"同一个"成员函数（实际不是同一个）


int main()

	Person p;
	Student s;

	//父类的引用接收不同类型的对象，实现了多态
	func(p);
	func(s);

	return 0;

运行结果如下：

上面代码中func函数的参数p是父类的引用，接收不同类型的对象时调用虚函数产生了不同的结果，如果将参数改为父类的指针也可以实现同样的效果，但是如果是父类的对象则不可以。

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下面的代码中，func1以父类的引用为参数，func2以父类的指针为参数，func3以父类的对象为参数。

示例代码如下：

class Person //父类

public:
	virtual void BuyTickets()
	
		cout << "全价票" << endl;
	
;

class Student : public Person //派生类继承父类

public:
	virtual void BuyTickets() //虚函数重写
	
		cout << "半价票" << endl;
	
;

void func1(Person& p) //父类引用

	p.BuyTickets(); // 调用"同一个"成员函数（实际不是同一个）


void func2(Person* p) //父类指针

	p->BuyTickets();


void func3(Person p) //父类对象

	p.BuyTickets();


int main()

	Person p;
	Student s;

	//父类的引用接收不同类型的对象，实现了多态
	func1(p);
	func1(s);
	cout << endl;

	//父类的指针接收不同类型的对象，实现了多态
	func2(&p);
	func2(&s);
	cout << endl;

	//父类的对象接收不同类型的对象，无法实现多态
	func3(p);
	func3(s);

	return 0;

很显然以父类的对象为参数无法实现多态，这也印证了最开始提到的，只有父类的引用或指针才可以实现多态。

运行结果如下：

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而如果父类的函数都不是virtual修饰的虚函数，那么就更无法实现多态了，很容易理解，这里就不做演示了。

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4.虚函数重写的三个例外

（1）协变

子类重写父类虚函数时，与父类虚函数仅有返回值类型不同，且父类虚函数返回父类对象的指针或者引用，子类虚函数返回子类对象的指针或者引用时，称为协变。

示例代码如下：

class Person //父类

public:
	virtual Person* pointer()  //返回值为Person*
	
		cout << "Person* pointer()" << endl;
		return new Person;
	
;

class Student : public Person //派生类继承父类

public:
	virtual Student* pointer()  //返回值为Student*
	
		cout << "Student* pointer()" << endl;
		return new Student;
	
;

int main()

	Person p;
	Student s;
	Person* ptr;
	
	ptr = &p;
	ptr->pointer(); //调用父类的

	ptr = &s;
	ptr->pointer(); //调用子类的
	return 0;

运行结果如下，可以看到虽然pointer()函数的返回值不同，但依然实现了多态。

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（2）析构函数重写

由于析构函数的函数名是有要求的，所以从代码角度看，子类和父类析构函数的函数名不同，破坏了多态的要求。但实际上，在【C++】继承 提到过，编译器对所有析构函数的函数名都做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处理成destructor。

但是析构函数重写是必要的吗？

下面列举两种情况：

①不需要重写虚构函数

示例代码如下：

class Person //父类

public:
	~Person()
	
		cout << "~Person()" << endl;
	
;

class Student : public Person //派生类继承父类

public:
	~Student()
	
		cout << "~Student()" << endl;
	
;

int main()

	Person p;
	Student s;

	return 0;

运行结果如下：

这时两个类中都没有什么需要在析构函数中处理的东西，所以不重写析构函数没有什么影响。

这里再解释一下打印的结果：临时变量储存在栈中，符合后进先出的规则，所以先析构s，后析构p。而析构s时根据继承的规则，先调用子类的析构函数、再调用父类的析构函数，这时s的析构结束了。之后再析构p。

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②需要重写析构函数

示例代码如下：

class Person //父类

public:
	~Person()
	
		cout << "~Person()" << endl;
	
;

class Student : public Person //派生类继承父类

public:
	~Student()
	
		cout << "~Student()" << endl;
	
;

int main()

	Person* p = new Person;
	Person* s = new Student;

	delete p;
	delete s;

	return 0;

运行结果如下：

从打印结果来看，s指针在delete时仅调用了父类的析构函数，而他在new时申请的是Student的空间，这样就可能造成内存泄漏。这种场景下就需要对Student类的析构函数进行重写。

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下面代码将两个类的析构函数定义为虚函数，这样就可以达到析构的目的。

示例代码如下：

class Person //父类

public:
	virtual ~Person()
	
		cout << "~Person()" << endl;
	
;

class Student : public Person //派生类继承父类

public:
	virtual ~Student()
	
		cout << "~Student()" << endl;
	
;

int main()

	Person* p = new Person;
	Person* s = new Student;

	delete p;
	delete s;

	return 0;

运行结果如下，通过重写析构函数，指针在delete时就可以释放对应的资源，不会出现内存泄漏的问题。

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（3）子类的虚函数可以不用virtual修饰

如果父类的某一个函数已经定义为虚函数，那么子类与之相同函数不需要用virtual修饰，也认为是完成了重写。但实际上这也是C++的一个小坑，为了方便代码的维护，建议还是只要需要用到虚函数的位置全部都用virtual修饰。

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5.final

修饰父类的虚函数，使该虚函数无法被重写。

示例代码如下：

class Person //父类

public:
	virtual void BuyTickets() final
	
		cout << "全价票" << endl;
	
;

class Student : public Person //派生类继承父类

public:
	virtual void BuyTickets() //虚函数重写
	
		cout << "半价票" << endl;
	
;

可以看到，在编译阶段就报错，子类中无法对父类的BuyTickets()进行重写。

编译结果如下：

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6.override

修饰子类的虚函数，检查该虚函数是否重写，若没有重写则编译报错。

示例代码如下：

class Person //父类

public:
	virtual void BuyTickets()
	
		cout << "全价票" << endl;
	
;

class Student : public Person //派生类继承父类

public:
	virtual void BuyTickets(int i) override//虚函数重写
	
		cout << "半价票" << endl;
	
;

代码中子类的BuyTickets函数与父类的参数列表不同，没有构成重写，override直接在编译阶段就报错。

编译结果如下：

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二、抽象类

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。

下图中用抽象类创建对象失败，证明抽象类无法实例化出对象。

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2.接口继承和实现继承

普通函数的继承是一种实现继承，子类继承了父类函数，继承的是函数的实现。而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。尤其是抽象类的产生，更是强制子类重写父类（否则子类也无法实例化出对象，类的功能大打折扣）。

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三、多态的原理

1.引出虚函数表指针

定义一个如下的类，类成员有一个int类型的变量和一个char类型的变量，成员函数有一个虚函数，计算它的大小。

class A

public:
	virtual void Func()
	
		cout << "virtual void Func()" << endl;
	
private:
	int _b = 0;
	char _ch = '\\0';
;

int main()

	A a;
	cout << sizeof(a) << endl;
	return 0;

根据自定义类型（一）：结构体 中内存对齐的规则可得该类定义出的对象的大小为8字节，但下面的运行结果是12字节（运行环境是32位平台、VS2022，后文中不再解释）。

通过调试来看对象a中具体有什么，为什么它的大小会是12字节？

通过调试看到对象a中不仅仅有类中定义的两个变量，还有一个void类型的指针，这个指针是虚函数表指针**，对象a大小为12字节正是因为多了这一个指针变量。

只要类中有虚函数，就一定会存在虚函数表指针，它就是用来实现多态的。

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2.虚函数表

一个含有虚函数的类中都至少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（本质是一个数组）中，虚表指针指向的就是这个数组的起始地址。

虚函数表也简称虚表，虚函数表指针简称为虚表指针。

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如下代码的类中定义了两个虚函数，一个普通函数，观察通过它定义的对象中虚表指针的情况。

class A

public:
	virtual void Func() //虚函数
	
		cout << "virtual void Func()" << endl;
	
	
	virtual void Func2() //虚函数
	

	void Func3() //普通函数
	
private:
	int _b = 0;
	char _ch = '\\0';
;

int main()

	A a;
	cout << sizeof(a) << endl;
	return 0;

可以看到，类中定义了两个虚函数，则对象中含有虚表指针指向的数组中有两个元素，而普通函数则没有对应的虚表指针。

再次提醒：多态和虚拟继承都用到了virtual关键字，但二者毫无关联。具体到这里，多态中的virtual定义虚函数，由此引出了虚函数表和虚函数指针；而虚拟继承中的虚基表存放的是虚基类的偏移量，二者同样无关，注意不要混淆。

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3.多态的原理

再回到前面的代码，通过解释其逻辑来说明多态的原理：

class Person //父类

public:
	virtual void BuyTickets()
	
		cout << "全价票" << endl;
	
;

class Student : public Person //派生类继承父类

public:
	virtual void BuyTickets()//虚函数重写
	
		cout << "半价票" << endl;
	
;

int main()

	Person p;
	p.BuyTickets();
	Student s;
	s.BuyTickets();

	return 0;

通过调试可以看到，p和s中的虚表指针指向的地址不同，也就是说两个类中定义的BuyTickets()不是同一个，所以在调用时调用各自定义的函数，实现了多态。

满足多态条件、构成多态后，父类的指针或引用调用哪个虚函数，不是在编译时确定的，而是运行到指定位置、需要从指针或引用指向的对象的虚表中找虚函数地址时才确定的。所以如果指向的是父类对象，则调用父类的虚函数；指向的是子类对象，则调用子类的虚函数。

但如果不满足多态条件，那么调用哪个函数是在编译是就可以确定的，调用函数的对象是什么类型，就调用哪个类型定义的虚函数，与传什么类型的参数无关。

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四、静态绑定和动态绑定

• 静态绑定又称为前期绑定(早绑定)，即在程序编译期间就确定了程序的行为，也称为静态多态，比如本文最开始提到的函数重载。
• 动态绑定又称后期绑定(晚绑定)，即在程序运行期间根据具体的类型来确定程序的具体行为，并确定具体调用哪个函数，也称为动态多态。

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感谢阅读，如有错误请批评指正