【C++】多态（定义、虚函数、重写、隐藏）

秦jh

发布于 2024-07-03 11:05:33

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发布于 2024-07-03 11:05:33

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前言

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多态的概念

多态的概念：通俗来说，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。

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。

多态的定义及实现

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。

继承中要构成多态还有两个条件：

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，且派生类必须对基类的虚函数进行重写

如果是通过基类的指针调用虚函数，要如下图所示使用：

虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

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。

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

虚函数重写的两个例外：

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。

返回值类型必须是指针或者引用，且具有父子关系（即继承）。

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, 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。

当析构函数不是虚函数时，不能正确的进行析构。因此我们要把析构函数变成虚函数：

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p1和p2指向的对象正确的调用析构函数。

C++11 override 和 final

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。

final

final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

override

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。

重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

抽象类

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。

Benz没有重写纯虚函数，所以不能实例化对象。

虽然Car不能实例化对象，但是可以用它的指针指向子类，然后调用。

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，可以使用函数，继承的是函数的实现。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，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

多态的原理

虚函数表

这里的代码是在x86程序中，涉及的指针都是4字节。

可以发现，b对象是8字节，除了_b成员，还多一个_vfptr放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f代表function)。一个含有虚函数的类中都至少都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中，虚函数表也简称虚表。

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

int main()
{
	Base b;

	return 0;
}

Func3不是虚函数，所以不会放进虚表。

派生类的虚表生成：1.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中 2.如果派生类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数 3.派生类自己新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。

多态的原理

观察上图的红色箭头我们看到，p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。当p指向johnson对象时，找到就是Student::BuyTicket。如果我们要达到多态，有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是对象的指针或引用调用虚函数。 满足多态以后的函数调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象中取找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的

动态绑定与静态绑定

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

单继承和多继承关系的虚函数表

单继承中的虚函数表

class Base {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
private:
	int a=1;
};

class Derive :public Base {
public:
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
	virtual void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
private:
	int b=2;
};

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