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【C++】多态

news 2024/11/17 23:26:25

前言

本篇博客我们来介绍多态知识的总结，这一部分面试官特别爱提问，也是我们需要注意的

💓 个人主页：小张同学zkf

⏩ 文章专栏：C++

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1.多态的概念

2.多态的实现与定义

2.1多态的构成条件

2.2虚函数

2.3虚函数的重写/覆盖

2.4虚函数重写的其他问题

2.5override 和 final关键字

2.6重载/重写/隐藏的对比

3.纯虚函数和抽象类

4.多态的原理

4.1虚函数表指针

4.2多态是如何实现的

4.3动态绑定与静态绑定

4.4虚函数表

1.多态的概念

多态(polymorphism)的概念：通俗来说，就是多种形态。多态分为 编译时多态(静态多态) 和 运⾏时多态(动态多态) ，编译时多态(静态多态)主要就是我们前⾯总结的函数重载和函数模板，他们传不同类型的参数就可以调⽤不同函数，通过参数不同达到多种形态，之所以叫编译时多态，是因为他们实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的，我们把编译时⼀般归为静态，运⾏时归为动态。

运⾏时多态，具体点就是去完成某个⾏为(函数)，可以传不同的对象就会完成不同的⾏为，就达到多种形态。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，是优惠买票(5折或75折)；军⼈买票时是优先买票。再⽐如，同样是动物叫的⼀个⾏为(函数)，传猫对象过去，就是”(>^ω^<) 喵“，传狗对象过去，就是"汪汪"。

2.多态的实现与定义

2.1多态的构成条件

多态是⼀个继承关系的下的类对象，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对象优惠买票。

实现多态的两个必要条件：

• 必须指针或者引⽤调⽤虚函数

• 被调⽤的函数必须是虚函数。

说明：要实现多态效果，第⼀必须是 基类的指针或引⽤ ，因为只有基类的指针或引⽤才能既指向派⽣ 类对象；第⼆派⽣类必须对 基类的虚函数重写/覆盖 ，重写或者覆盖了，派⽣类才能有不同的函数，多 态的不同形态效果才能达到

2.2虚函数

类成员函数前⾯加virtual修饰，那么这个成员函数被称为虚函数。注意⾮成员函数不能加virtual修

饰。

1 class Person

2 {

3 public :

4 virtual void BuyTicket () { cout << " 买票 - 全价 " << endl;}

5 };

2.3虚函数的重写/覆盖

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 返)，称派⽣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，不过在考试选择题中，经常会故意买这个坑，让你判断是否构成多态。

class Person {

public :

virtual void BuyTicket () { cout << " 买票 - 全价 " << endl; }

};

class Student : public Person {

public :

virtual void BuyTicket () { cout << " 买票 - 打折 " << endl; }

};

void Func (Person* ptr)

{

// 这⾥可以看到虽然都是 Person 指针 Ptr 在调⽤ BuyTicket

// 但是跟 ptr 没关系，⽽是由 ptr 指向的对象决定的。

ptr-> BuyTicket ();

}

int main ()

{

Person ps;

Student st;

Func (&ps);

Func (&st);

return 0 ;

}

2.4虚函数重写的其他问题

协变

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。协变的实际意义并不⼤，所以我们了解⼀下即可。

1 class A {};

2 class B : public A {};

3

4 class Person {

5 public :

6 virtual A* BuyTicket ()

7 {

8 cout << " 买票 - 全价 " << endl;

9 return nullptr ;

10 }

11 };

12

13 class Student : public Person {

14 public :

15 virtual B* BuyTicket ()

16 {

17 cout << " 买票 - 打折 " << endl;

18 return nullptr ;

19 }

20 };

21

22 void Func (Person* ptr)

23 {

24 ptr-> BuyTicket ();

25 }

26

27 int main ()

28 {

29 Person ps;

30 Student st;

31

32 Func (&ps);

33 Func (&st);

34 35 return 0 ;

36 }

析构函数的重写

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不符合重写的规则，实际上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，所以基类的析构函数加了vialtual修饰，派⽣类的析构函数就构成重写。

下⾯的代码我们可以看到，如果~A()，不加virtual，那么delete p2时只调⽤的A的析构函数，没有调⽤B的析构函数，就会导致内存泄漏问题，因为~B()中在释放资源。

1 class A

2 {

3 public :

4 virtual ~ A ()

5 {

6 cout << "~A()" << endl;

7 }

8 };

9

10 class B : public A {

11 public :

12 ~ B ()

13 {

14 cout << "~B()->delete:" <<_p<< endl;

15 delete _p;

16 }

17 protected :

18 int * _p = new int [ 10 ];

19 };

20

21 // 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。

22 int main ()

23 {

24 A* p1 = new A;

25 A* p2 = new B;

26

27 delete p1;

28 delete p2;

29

30 return 0 ;

31 }

2.5override 和 final关键字

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，⽐如函数名写错参数写错等导致⽆法构成重载，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，可以帮助⽤⼾检测是否重写。如果我们不想让派⽣类重写这个虚函数，那么可以⽤final去修饰。

1 // error C3668: “Benz::Drive”: 包含重写说明符 “override” 的⽅法没有重写任何基类⽅法

2 class Car {

3 public :

4 virtual void Dirve ()

5 {}

6 };

7

8 class Benz : public Car {

9 public :

10 virtual void Drive () override { cout << "Benz- 舒适 " << endl; }

11 };

12

13 int main ()

14 {

15 return 0 ;

16 }

1 // error C3248: “Car::Drive”: 声明为 “final” 的函数⽆法被 “Benz::Drive” 重写

2 class Car

3 {

4 public :

5 virtual void Drive () final {}

6 };

7

8 class Benz : public Car

9 {

10 public :

11 virtual void Drive () { cout << "Benz- 舒适 " << endl; }

12 };

13

14 int main ()

15 {

16 return 0 ;

17}

2.6重载/重写/隐藏的对比

3.纯虚函数和抽象类

在虚函数的后⾯写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数，纯虚函数不需要定义实现(实现没啥意义因为要被派⽣类重写，但是语法上可以实现)，只要声明即可。包含纯虚函数的类叫做抽象类，抽象类不能实例化出对象，如果派⽣类继承后不重写纯虚函数，那么派⽣类也是抽象类。纯虚函数某种程度上强制了派⽣类重写虚函数，因为不重写实例化不出对象。

1 class Car

2 {

3 public :

4 virtual void Drive () = 0 ;

5 };

6

7 class Benz : public Car

8 {

9 public :

10 virtual void Drive ()

11 {

12 cout << "Benz- 舒适 " << endl;

13 }

14 };

4.多态的原理

4.1虚函数表指针

下⾯编译为32位程序的运⾏结果是什么（）

A. 编译报错 B. 运⾏报错 C. 8 D. 12

1 class Base

2 {

3 public :

4 virtual void Func1 ()

5 {

6 cout << "Func1()" << endl;

7 }

8 protected :

9 int _b = 1 ;

10 char _ch = 'x' ;

11 };

12

13 int main ()

14 {

15 Base b;

16 cout << sizeof (b) << endl;

17

18 return 0 ;

19 }

上⾯题⽬运⾏结果12bytes，除了_b和_ch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，因为⼀个类所有虚函数的地址要被放到这个类对象的虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

4.2多态是如何实现的

从底层的⻆度Func函数中ptr->BuyTicket()，是如何作为ptr指向Person对象调用Person::BuyTicket，ptr指向Student对象调⽤Student::BuyTicket的呢？通过下图我们可以看到，满⾜多态条件后，底层不再是编译时通过调⽤对象确定函数的地址，⽽是运⾏时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的地址，这样就实现了指针或引⽤指向基类就调⽤基类的虚函数，指向派⽣类就调⽤派⽣类对应的虚函数。第⼀张图，ptr指向的Person对象，调⽤的是Person的虚函数；第⼆张图，ptr指向的Student对象，调⽤的是Student的虚函数。