当前位置：首页 > news >正文

【 C++ 】多态

news 来源：原创 2024/4/30 14:43:20

1、多态的概念

2、多态的定义及实现

2.1、多态的构成条件

2.2、虚函数

2.3、虚函数的重写

虚函数重写的两个例外

2.4、C++11 override和final

2.5、重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

3、抽象类

概念

接口继承和实现继承

4、多态的原理

虚函数表

多态的原理

动态绑定和静态绑定

5、单继承和多继承关系的虚函数表

单继承中的虚函数表

多继承中的虚函数表

菱形继承、菱形虚拟继承

6、继承和多态常见的面试问题

1、多态的概念

多态就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

举个栗子：比如买票这个行为，当普通人买票时，是全价买票；学生买票时，是半价买票；军人买票时是优先买票。

2、多态的定义及实现

2.1、多态的构成条件

多态是在不同继承关系的类对象，去调用同一函数，产生了不同的行为。比如Student继承了Person。Person对象买票全价，Student对象买票半价，Soldier对象优先买票。

那么在继承中要构成多态还有两个条件：

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（virtual），且派生类必须对基类的虚函数进行重写（函数名、返回值、参数均相同 + 虚函数）

图示：

2.2、虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数
class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
注意：虚函数这里的virtual是为了实现多态，而虚继承的virtual是为了解决菱形继承的数据冗余和二义性。

2.3、虚函数的重写

虚函数的重写(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、参数列表完全相同)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。
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; }
	/*注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因
	为继承后基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性),但是该种写法不是很规范，不建议
	这样使用*/
	/*void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }*/
};
void Func(Person& p)
{
	//通过父类的引用调用虚函数
	p.BuyTicket();
}
void Func(Person* p)
{
	//通过父类的指针调用虚函数
	p->BuyTicket();
}
int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	//传对象
	Func(ps);//买票-全价
	Func(st);//买票-半价
	//传地址
	Func(&ps);//买票-全价
	Func(&st);//买票-半价
	return 0;
}
注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性),但是该种写法不是很规范，不建议这样使用

更多示例见gitee链接：虚函数重写补充示例

虚函数重写的两个例外

1、协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)

派生类重写基类虚函数时，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时，称为协变。通俗的说是虚函数返回值类型为父子关系指针和引用。

如下基类Person类虚函数f的返回值类型为基类A对象的指针，Student类虚函数f的返回值为派生类B对象的指针，且B是A的子类，这俩虚函数称为协变。
//A是B的父类
class A {};
class B : public A {};
//父类
class Person {
public:
    //父类虚函数返回值为父类的指针
	virtual A* f()
	{
		cout << "virtual A* Person::f()" << endl;
		return nullptr;
	}
};
//子类
class Student : public Person {
public:
	virtual B* f()//返回值B是A的子类，此时发生协变（协变的类型必须是父子关系）
	{
		cout << "virtual B* Student::f()" << endl;
		return nullptr;
	}
};
int main()
{
	Person p;//父类的指针
	Student s;
	Person* ptr = &p;   
    //父类的指针指向父类对象，调用父类的虚函数
	ptr->f();//virtual A* Person::f()
	
	ptr = &s;
    //父类的指针指向子类对象，调用子类的虚函数
	ptr->f();//virtual B* Student::f()
}
2、析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)

如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字，都与基类的析构函数构成重写，虽然基类与派生类析构函数名字不同。虽然函数名不相同，看起来违背了重写的规则，其实不然，这里可以理解为编译器对析构函数的名称做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处理成destructor。

示例：
class Person {
public:
	~Person()
	{ 
		cout << "~Person()" << endl; 
	}
};
class Student : public Person {
public:
	~Student() 
	{
		cout << "~Student()" << endl; 
	}
};
int main()
{
	Person* ptr = new Person;
	delete ptr;//~Person()
	ptr = new Student;
	delete ptr;//~Person()
	return 0;
}
此段代码中，我创建了一个父类指针，先指向父类Person，然后delete释放，再指向子类Student，再delete释放，期望的结果应该是指向父类的调用父类的析构函数，指向子类的调用子类的析构函数。可是结果却都是调用父类的析构函数，造成内存泄漏。可期望的delete函数是一个多态调用。

当把父类的析构函数变成虚函数，其它不变的时候
class Person {
public:
	virtual ~Person()
	{ 
		cout << "~Person()" << endl; 
	}
};
class Student : public Person {
public:
	//Person析构函数加了virtual，关系就变了
	//重定义（隐藏）关系 -> 重写（覆盖）关系
	//对于普通对象是没有影响的
	~Student() 
	{
		cout << "~Student()" << endl; 
	}
};
// 只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下面的delete对象调用析构函\
数，才能构成多态，才能保证ptr指向的对象正确的调用析构函数。
结果如下：

这里很明显结果是我们所预期的，先释放指向父类的对象，再释放指向子类的对象（继承后的析构为先子后父），正是由于基类的析构函数加上了virtual变成虚函数，才得以让父类和子类的析构函数构成重写，完成多态调用。才能析构正确。

结论：如果设计一个类，可能会作为基类，将基类的析构函数最好定义为虚函数。

2.4、C++11 override 和 final

从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此：C++11提供了override和final两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

1、final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写，修饰类表示不能被继承。

这里我父类的虚函数Drive不想被其它人重写，在其后面加上final即可，此时子类就无法对Drive进行重写了，如下：

final修饰一个类，让其不能被继承，如下：

2、override: 检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写编译报错。