【C++】多态：深度剖析（多态、虚函数、抽象类、底层原理）

温馨提示：在观看本文前确保已经了解了C++中继承的相关知识，若不了解，可以查看我的这篇文章进行学习：【C++】继承：深度剖析-CSDN博客https://blog.csdn.net/2301_80555259/article/details/141829528?spm=1001.2014.3001.5501

一.多态的概念

二.多态的定义和实现

三.虚函数

1.概念

2.重写

3.重写的两个例外

3.1 协变（返回类型不同）

3.2 析构函数的重写（函数名不同）

4.C++11:override和final

5.重载、重写、隐藏的对比

四.抽象类

五.虚函数原理

六.多态的原理

一.多态的概念

通俗来讲，多态就是拥有多种状态，父子对象完成相同的任务却会产生不同的结果；例如普通人和学生去买票（进行相同的任务），普通人（父类）是全价，而学生（子类）是半价，这就是多态的一种现实体现。

从程序角度来讲，多态是指同一个函数名可以根据调用对象的不同而具有不同的实现。多态分为两种类型：编译时多态（静态多态）和运行时多态（动态多态）

编译时多态：通过函数重载和运算符重载实现，是在编译阶段确定函数调用
运行时多态：通过虚函数和继承实现，是在运行阶段确定函数调用

二.多态的定义和实现

多态的实现通常依赖于虚函数。在基类（父类）中声明虚函数，然后在派生类（子类）中进行重写（覆盖）。通过基类指针或引用调用虚函数时，将根据对象的实际类型调用相应的派生类函数

在继承中构成多态需要有两个前提条件：

必须通过基类的指针或者引用调用函数
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

那么，什么是虚函数？接下来就对虚函数进行深度解析

三.虚函数

1.概念

虚函数是在基类中使用关键字virtual进行声明的成员函数，它的存在允许在派生类中进行该函数的重写（覆盖）。

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

2.重写

虚函数的重写（Override）是指在派生类中重新实现上述基类中已经声明为虚函数的函数。在进行重写时，子类中的虚函数的返回类型、函数名、参数列表类型必须与基类中虚函数完全一致（参数名称、缺省值可以不相同）

注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数可以不加virtual关键字，这依然构成重写，因为继承后基类的虚函数在派生类中依然保持虚函数属性，但这种写法其实不规范，不建议这样书写

3.重写的两个例外

3.1 协变（返回类型不同）

派生类重写虚函数其返回类型为派生类指针或引用，而基类虚函数其返回类型为基类指针或引用时，此时尽管两虚函数返回类型不同，也依然是虚函数重写，称为协变

class A
{
public://返回类型为基类指针virtual A* f() { return new A; }
};class B:public A
{
public://返回类型为派生类指针virtual B* f(){return new B;}
};

3.2 析构函数的重写（函数名不同）

如果基类的析构函数为虚函数，那么派生类的析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字都构成重写，尽管函数名字不同。这里其实是编译器做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处理为destructor

至于为什么要这样处理,可以用以下样例解释：

class A
{
public:virtual ~A(){cout << "~A()" << endl;}
};class B :public A
{
public://不加virtual也依旧构成重写~B(){cout << "~B()" << endl;delete _p;}
protected:int* _p = new int[10];
};int main()
{A* p1 = new A;A* p2 = new B;delete p1;delete p2;
}

若基类A和派生类B不构成虚函数重写的话，那么此处调用delete p2时，p2是基类A的指针，只会调用A的析构，从而没有调用B的析构，此时B内申请的资源int* _p就没有释放，造成了内存泄漏，如下图，为了防止这种情况，才使用继承中的虚函数析构

4.C++11:override和final

1.override

派生类虚函数的格式有严格要求，返回类型、函数名、参数类型都必须完全相同，但这在编译时是不会报错的，哪怕函数名打错了一个字母也不会报错让你发现，这时就需要override来检查是否正确地重写了该函数了，例如：

class Car 
{
public:virtual void Drive() {}
};class Benz :public Car 
{
public:virtual void Drive() override {}
};

此时如果函数名写错就会在编译阶段报错了

2.final

final用于在派生类中阻止对虚函数的进一步重写，或者在类定义中阻止类被继续派生

//阻止该类继续派生，该类就是"最终"(final)类
class Base final {// ...
};

//阻止该虚函数被继续重写
class Base {
public:virtual void f() final {// ...}
};

5.重载、重写、隐藏的对比

四.抽象类

在虚函数的后面加上 = 0 ，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（接口类），抽象类不能实例化出对象，只有其派生类重写纯虚函数后，派生类才能实例化出对象。也就是说，纯虚函数规定了派生类必须重写。

实际上很好理解，例如把动物当做一个抽象类，你能实例化找出一个“动物”吗？动物是个抽象的概念，无法实际存在，只有将其重写为猫、狗等实际存在的动物后，才能实例化地找到。

五.虚函数原理

在调试一个含有虚函数的类Base时，我们发现该类除了成员变量_base外，还包含一个变量_vfptr，这个变量就是虚函数表指针（virtual function pointer）

一个含有虚函数的类中至少都有一个虚函数表指针，该指针指向的是一个数组，该数组是储存函数指针的。也就是说，该指针指向一个函数指针数组。该数组存放虚函数的地址，不同的派生类该表也不同。

通过一下例子，我们可以再详细谈谈这整个过程

class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}virtual void Func2(){cout << "Func2()" << endl;}
private:int _base = 1;
};class Derive :public Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func111()" << endl;}//virtual void Func2()//{//    cout << "Func222()" << endl;//}
protected:int _derive = 2;
};int main()
{Base b;Derive d;return 0;
}

通过该结果可以发现，派生类Derive的虚函数表与基类Base是不同的，Derive中对虚函数Func1进行了重写，但没有对Func2重写，这就导致了d类的虚表中第一个Func1的地址被覆盖了，而第二个Func2没有被覆盖，和基类相同。因此继承时，派生类是继承了基类的虚函数表的，不过当虚函数重写时就进行函数地址的覆盖而已。

顺带一提，如果在Derive中在新写一个虚函数，vs的调试窗口上d类的虚表中是看不见的，但可以通过内存窗口去观察

六.多态的原理

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 man;Func(man);Student Jack;Func(Jack);return 0;
}

根据下图的红色箭头可以发现，p是指向man对象时，p.BuyTicket在虚表中找到的是Person::BuyTicket，而蓝色箭头，p是指向Jack对象时，p.BuyTicket在虚表中找到的就是Student::BuyTicket，这不是在编译时确定的，而是运行以后到对象中找到的。

当然这里的核心依然是切割，编译器看到的是父类，不过是指向子类时是切割过去的而已，里面的虚表也是被子类覆盖后的结果。

好了，多态的知识解析就是这些，最后再来一道很容易错的习题来结束吧

以下程序输出结果是什么（）
A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

class A
{
public:virtual void func(int val = 1) { std::cout << "A->" << val << std::endl; }virtual void test() { func(); }
};class B : public A
{
public:void func(int val = 0) { std::cout << "B->" << val << std::endl; }
};int main(int argc, char* argv[])
{B* p = new B;p->test();return 0;
}

答对了吗？