C++_多态

目录

1、什么是虚函数

1.1 什么是虚函数重写

1.2 虚函数的继承

1.3 协变 

1.4 析构函数的重写

2、override和final

2.1 final

2.2 override

3、纯虚函数/抽象类

3.1 接口继承和实现继承 

4、多态的原理

前言：

        在C++中，多态指的是调用同一个类的成员函数时，会产生两种不同的结果，因此多态又称多种形态。

实现多态的前提是：

        1、两个类必须满足继承关系。

        2、必须通过基类的指针或引用去调用该类的成员函数，并且这个成员函数是被virtual修饰过的虚函数，还得完成虚函数的重写。

        多态结构示意图如下： 

1、什么是虚函数

        被关键字virtual修饰的类成员函数就是虚函数，比如下面的BuyTicket就是一个虚函数。

class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};

1.1 什么是虚函数重写

       在基类和派生类中都存在一个相同的虚函数（即函数名、函数形参类型及个数、返回类型都相同），这时候把派生类中的虚函数叫做基类虚函数的重写。

        注意：虚函数重写和虚函数是两个概念，即虚函数不一定构成虚函数重写，构成虚函数重写的前提是两个函数必须是虚函数。

        体现虚函数重写的代码如下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
using namespace std;class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};void Func(Person& p)
{ p.BuyTicket(); 
}
int main()
{Person ps;Student st;Func(ps);Func(st);return 0;
}

        运行结果：

        从结果可以看到，虚函数重写的目的就是为了实现多态，上面代码通过同一个形参p调用两个不同的函数BuyTicket，从而达到实现不同的功能。

1.2 虚函数的继承

        在继承关系中，派生类可以继承基类的成员，那么虚函数也是可以被继承的，比如拿上述代码举例，Student类中如果没有对BuyTicket函数进行virtual修饰，却同样可以实现多态的效果，原因就是派生类继承了基类的虚函数virtual，让自己的BuyTicket也变成了一个虚函数。

         但是如果基类中的BuyTicket函数不是虚函数，而派生类的BuyTicket是虚函数则无非满足虚函数的重写。

1.3 协变 

        从上文可以得知，虚函数重写的要求是：函数名、函数形参类型及个数、返回类型都相同，则协变就是在此基础上放宽了对虚函数重写的要求，即返回类型不相同的虚函数也可以构成重写，但是返回的必须是指针或者引用，并且这两个虚函数的返回值是继承关系。

        协变示例代码如下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
using namespace std;class Person {
public:virtual Person& BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; return *this; }
};
class Student : public Person {
public:virtual Student& BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; return *this;}
};void Func(Person& p)
{ p.BuyTicket(); 
}
int main()
{Person ps;Student st;Func(ps);Func(st);return 0;
}

        运行结果：

        协变示意图如下：

1.4 析构函数的重写

        析构函数的重写可以不满足协变和虚函数重写的要求，只需要对两个类的析构函数加上virtual即可实现重写。原因在于派生类和基类的析构函数都会被统一处理成destructor的函数名，这时候他们就满足了虚函数重写的要求（此时函数名相同了）。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
using namespace std;class Person {
public:virtual ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};int main()
{Person* p1 = new Person;Person* p2 = new Student;delete p1;delete p2;return 0;
}

        运行结果：

2、override和final

        override和final的目的就是手动的对虚函数重写进行严格的检查，因为在实现虚函数重写的时候有些疏忽编译器是不会报错的，因此我们可以使用override和final严格要求虚函数的重写。

2.1 final

        修饰一个虚函数，让其不能被重写。

        示例代码：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
using namespace std;class Person
{
public:virtual void Number() final {}
};
class Student :public Person
{
public:virtual void Number() {}//由于基类在虚函数后面加了final，因此此处不能被重写
};int main()
{return 0;
}

         运行结果：

2.2 override

        override的作用是检查被修饰的虚函数是否重写了基类的某个虚函数。

        override示例代码如下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
using namespace std;class Person
{
public://virtual void Number()  {}
};
class Student :public Person
{
public://Person类中没有实现Number虚函数，因此此处没有实现虚函数的重写virtual void Number()override {}
};int main()
{return 0;
}

        报错原因：

3、纯虚函数/抽象类

        在虚函数的声明末尾处写上“=0”，则该虚函数为纯虚函数。而这个纯虚函数所在的类称之为抽象类，即不能用该类实例化对象，并且继承该抽象类的派生类也不能实例化出对象。

        纯虚函数/抽象类的写法：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
using namespace std;class Person
{
public:virtual void Number()=0  {}
};
class Student :public Person
{
public://virtual void Number() {}
};int main()
{Person p;Student s;//Person和Student都不能实例化出对象return 0;
}

        只有重写了该抽象类中的纯虚函数，才能用派生类实例化出对象（基类还是不能实例化对象）：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
using namespace std;class Person
{
public:virtual void Number()=0  {}
};
class Student :public Person
{
public:virtual void Number() {}//重写纯虚函数
};int main()
{//Person p;//Person依旧不能实例化对象Student s;//由于Student中的Number重写了Person的Number，因此Student可以实例化对象return 0;
}

3.1 接口继承和实现继承 

        实现继承就是我们所说的派生类继承了基类的成员函数，继承的是该函数的整体。而接口继承是虚函数继承，虚函数继承的只是函数的接口部分，并不是整个函数。他们是有区别的。

        体现他们区别的示意图如下：

4、多态的原理

        实现多态的根本原因是虚函数的重写，而在底层中，在基类部分会自动生成一个数组指针（又称虚表指针），该指针指向的数组是用来存放虚函数地址的（这个生成动作在编译阶段就已经完成了），所以该数组又称虚函数表。

        因此当调用条件满足多态时，编译器实际上会到基类中找到虚表指针，然后调用的是该指针指向的虚函数，这也是为什么通过同一个接口可以实现两个不同结果。

        可以通过观察一个类的大小来发现虚指针的存在：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
using namespace std;class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};int main()
{Person ps;cout << sizeof(ps) << endl;//ps的大小为4return 0;
}

        通过监视窗口也可以发现虚表指针的存在：

        如果是继承关系，则虚表指针存放在父类中的基类部分中，这也是为什么实现多态的条件之一是需要基类指针调用虚函数，因为虚表指针存在基类部分中，使用基类指针刚好可以与其对应。

结语： 

        以上就是关于多态的讲解， 多态的本质就是继承，并且需要满足虚函数重写和基类指针、引用调用，多态实际上只需要记住这两点即可，只不过在此基础上可以延申出更多的细节。最后希望本文可以给你带来更多的收获，如果本文对你起到了帮助，希望可以动动小指头帮忙点赞👍+关注😎+收藏👌！如果有遗漏或者有误的地方欢迎大家在评论区补充，谢谢大家！！

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