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C++多态的全面讲解

2024-04-02 19:04:59 307人浏览八月长安

摘要

目录1.多态的定义和实现多态的浅层理解多态的构成条件2.虚函数虚函数的重写规则虚函数重写条件的两个例外1.协变（返回值不同）2.析构函数的重写（函数名不同）3.c++11 overr

1.多态的定义和实现

多态的浅层理解

多态，即多种形态，也就是说，不同的对象在完成某个行为时会产生不同的状态。

举个例子，买火车票时，普通人正常买票，学生半价买票，军人优先买票。

在C++中，多态就是对于同一个函数，当调用的对象不同，他的操作也不同。

多态的构成条件

多态是继承体系中的一个行为，如果要在继承体系中构成多态，需要满足两个条件:

1. 必须通过基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，并且派生类必须要对继承的基类的虚函数进行重写

解释1：因为子类和父类的虚表各自一份，倘若能够通过对象传递的方式同时传递虚表的话，那么父类就可能拿到子类的虚表，不合理。

解释2：有虚函数就有虚函数表，对象当中就会存放一个虚基表指针，通过虚基表指针指向的内容来访问对应的函数。若子类没有重写父类的虚函数内容，则子类也会调用父类的函数。

2.虚函数

虚函数就是被virtual修饰的类成员函数(这里的virtual和虚继承的virtual虽然是同一个关键字，但是作用不一样)

class Person
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "普通人->正常买票" << endl;
	}
};

虚函数的重写规则

虚函数，即被virtual关键字重写的类成员函数。

重写（覆盖）：派生类中有一个跟基类中完全相同的虚函数(三同：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，也有例外！)，这样则称子类重写了父类的虚函数。

示例代码如下：

class Person
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "普通人->正常买票" << endl;
	}
};
class Student : public Person
{
public:
	//子类必须重写父类的虚函数
	virtual void func()
	{
		cout << "学生->半价买票" << endl;
	}
};
//必须是父类的指针或引用去调用虚函数
//这里的参数类型不能是对象，否则是一份临时拷贝，则无法构成多态
void F(Person& ps)
{
	ps.func();
}
int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	F(ps);
	F(st);
	return 0;
}

笔试选择题常考点（选自Effective C++）：

如果不满足虚函数重写的条件，例如参数不同则会变成重定义。

思考如下代码输出结果：

#include <iOStream>
class Base{
public:
    virtual void Show(int n = 10)const{    //提供缺省参数值
        std::cout << "Base:" << n << std::endl;
    }
};
class Base1 : public Base{
public:
    virtual void Show(int n = 20)const{     //重新定义继承而来的缺省参数值
        std::cout << "Base1:" << n << std::endl;
    }
};
int main(){
    Base* p1 = new Base1;        
    p1->Show();           
    return 0;
}

输出的是Base1:10,

因为如果子类重写了缺省值，此时的子类的缺省值是无效的，使用的还是父类的缺省值。原因是因为多态是动态绑定，而缺省值是静态绑定。对于P1，他的静态类型也就是这个指针的类型是Base,所以这里的缺省值是Base的缺省值，而动态类型也就是指向的对象是Base1，所以这里调用的虚函数则是Base1中的虚函数，所以这里就是Base1中的虚函数，Base中的缺省值，也就是Base1:10。

简单概括就是：虚函数的重写只重写函数实现，不重写缺省值。

虚函数重写条件的两个例外

1.协变（返回值不同）

当基类和派生类的返回值类型不同时，如果基类对象返回基类对象的引用或者指针，派生类对象也返回的是派生类对象的引用或者指针时，就会引起协变。协变也能完成虚函数的重写

例1：指针

class A {};
class B :public A {};
class Person
{
public:
	virtual A* func()
	{
		cout << "virtual A* func()" << endl;
		return new A;
	}
};
class Student : public Person
{
public:
	virtual B* func()
	{
		cout << "virtual B* func()" << endl;
		return new B;
	}
};

例2：引用

class Human
{
public:
	virtual Human& print()
	{
		cout << "i am a human" << endl;
		return *this;
	}
};
class Student : public Human
{
public:
	virtual Student& print()
	{
		cout << "i am a student" << endl;
		return *this;
	}
};

2.析构函数的重写（函数名不同）

析构函数虽然函数名不同，但是也能构成重写，因为站在编译器的视角，他所调用的析构函数名称都叫做destructor

为什么编译器要通过这种方式让析构函数也能构成重写呢？

假设我用一个基类指针或者引用指向派生类对象，如果不构成多态会怎样？

class Human
{
public:
	~Human()
	{
		cout << "~Human()" << endl;
	}
};
class Student : public Human
{
public:
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
};
int main()
{
	Human* h = new Student;
	delete h;
	return 0;
}

上述代码只会调用Human的析构函数，即如果不构成多态，那么指针是什么类型的，就会调用什么类型的析构函数，这也就导致了一种情况，如果派生类的析构函数中有资源释放，而这里却没有释放掉那些资源，就会导致内存泄漏的问题。

所以为了防止这种情况，必须要将析构函数定义为虚函数。这也就是编译器将析构函数重命名为destructor的原因

class Human
{
public:
	virtual ~Human()
	{
		cout << "~Human()" << endl;
	}
};
class Student : public Human
{
public:
	virtual ~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
};
int main()
{
	Human* h = new Student;
	delete h;
	return 0;
}

3.C++11 override 和 final

override

override关键字是用来检测派生类虚函数是否构成重写的关键字。

如基类虚函数没有virtual或者派生类虚函数名拼错等问题，这些问题不会被编译器检查出来，发生错误时也很难一下子锁定，所以C++增添了override这一层保险，当修饰的虚函数不构成重写时就会编译错误。

class A
{
public:
	virtual void func() {}
};
class B : public A
{
public:
	//未重写则报错
	virtual void func() override {};
};

final

使用final修饰的虚函数不能被重写。

如果某一个虚函数不想被派生类重写，就可以用final来修饰这个虚函数

class Human
{
public:
	virtual void print() final
	{
		cout << "i am a human" << endl;
	}
};
class Student : public Human
{
public:
	virtual void print()
	{
		cout << "i am a student" << endl;
	}
};

重载对比重定义(隐藏)与重写(覆盖)

4.抽象类

虚函数后面加上=0就是纯虚函数，包含纯虚函数的类即为抽象类（接口类）。抽象类不能实例化出对象，派生类继承抽象类后若没有重写纯虚函数那么仍为抽象类，亦不能实例化出对象。纯虚函数规范了派生类必须重写虚函数，并且更加体现出了接口继承。

抽象类就像是一个蓝图，为派生类描述好一个大概的架构，派生类必须实现完这些架构，至于要在这些架构上面做些什么，增加什么，就属于派生类自己的问题。

class Human
{
public:
	virtual void print() = 0;
};
class Student : public Human
{
public:
	virtual void print()
	{
		cout << "i am a student" << endl;
	}
};
class Teacher : public Human
{
public:
	virtual void print()
	{
		cout << "i am a teacher" << endl;
	}
};