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C++ - 多态语法 - 虚函数使用介绍

news 2026/2/9 0:17:23

多态简单介绍

多态就是多种形态，是不同的对象去完成同一个动作所产生的结果可能有多种。这种多种的形态我们称之为多态。

比如：我们在买票的时候的时候，可能有成人全价，儿童半价，军人免票等等。对于成人，儿童，军人这三个不同的对象，在买票同一动作当中，就产生了不同的结果。

多态的定义和实现

多态出现在同一继承关系当中的不同类对象，比如上述说的 Person对象买票全价，Student对象买票半价。

在多态的组成方面，有两大必须的条件：

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

虚函数

在知道多态是如何构成之前，我们先来认识一种特殊的成员函数---虚函数。

注意：

其中的 virtual 虽然可以用来修饰虚函数，和虚继承，但是此时的虚函数和虚继承没有任何关系，可以理解为 virtual 修饰函数就是虚函数；修饰继承关系及时虚继承。
关于虚函数 virtual 的修饰，只要在函数的返回值之前加上 vitual 修饰的函数就是虚函数了。
只要类当中的成员函数可以加 virtual 修饰变成虚函数，普通的全局函数是不能加 virtual 变成虚函数的。

虚函数定义如：

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

全局函数不能加 virtual 修饰变成虚函数：

虚函数的重写

虚函数和其他成员函数一样，但是虚函数有一个特征，虚函数支持重写（覆盖）。

如果在派生类当中，有一个和基类当中相同的虚函数（两者之间返回值，函数名，参数列表完全相同），我们认为，此时派生类重写了基类当中的虚函数。

class Person
{
public:virtual void buy() {cout << "Perosn:全价" << endl;}
};class Student : public Person
{
public:virtual void buy() {cout << "Student:半价" << endl;}
};

上述子类（student）就重写了父类（Perosn）当中的 buy（）这个虚函数。

对于上述这种虚函数的使用场景（通过指针或者引用来调用虚函数）：

void func(Person& people)
{people.buy();
}int main()
{func(Person());func(Student());return 0;
}

输出：

Perosn:全价
Student:半价

这样的话，我们就可以做到类似于，自动识别对象，然后去购买不同的票了。

请注意，我们在调用虚函数的时候，一定是使用引用或者指针的方式来调用虚函数，而且子类父类当中的函数都应该是 virtual 修饰的，子类重写过的虚函数，否则无法实现多态（如下，我们把func（）函数当中的 Person& 参数类型改为 Person）：

void func(Person people)
{people.buy();
}

输出：

Perosn:全价
Perosn:全价

我们发现结果都是 “全价”。没有多态现象出现。

同样，如果父类的函数没有加 virtual 修饰，输出结果和上述一样，但是如果父类虚函数加了 virtual 修饰，子类函数没有加 virtual 修饰，是可以实现多态的。----但是就算能够实现多态，建议还是把子类和父类的虚函数都加上 virtual 修饰。

编译器在这里支持，派生类不用加 virtual ，是因为，编译器对于派生类的检查只是检查，派生类符不符合 “三同”的多态条件。不同，可能看该函数和父类当中的虚函数函数名相同，就是别成隐藏了；相同才会去认为该函数是虚函数的重写。

因为派生类继承了父类的 virtual 修饰的虚函数，而子类当中的重写只是对父类当中虚函数的实现部分进行重写。

class Person
{
public:virtual void buy() {cout << "Perosn:全价" << endl;}
};class Student : public Person
{
public:void buy() {cout << "Student:半价" << endl;}
};void func(Person& people)
{people.buy();
}int main()
{Person perosn;func(perosn);Student student;func(student);return 0;
}

输出：

Perosn:全价
Student:半价

像上述的实现多态例子中的 Student 类型对象传参到 Person& 类型参数接收，这里发生了子类到父类的切割。

有了切割，当传入参数就是父类的时候，不需要切割，这类直接就是调用父类对象的引用来调用buy（）这个函数；如果传入的是子类的话，就会发生切割，指向子类，此时就是子类的引用，所以调用的是子类的buy（）函数。

具体切割是如何切割法，可以看以下博客：C++ - 继承_chihiro1122的博客-CSDN博客

但是这里就有一个问题，我们知道，对象当中只存储成员变量，不存储成员函数；而且就算是子类的引用，只是访问的是父类当中子类的那一部分成员，编译器在此处究竟是如何做到区分两个虚函数的呢？

虚函数重写的两个特殊情况

协变

这种情况是 -- 基类和派生类虚函数的返回值类型不同。

但是，这里虚函数的返回值类型是有规定的，如果是只是普通类型的返回值类型不同，是会报错的：

如果不是协变引起的虚函数返回值类型不同，编译器是会报编译错误的。

只允许 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的情况，而我们把这种称为协变。（而且，父类虚函数和子类虚函数的返回值类型必须同时是指针或者引用，如果是像指针和引用岔着用是不行的，编译器会报错）

如下代码所示：

class Person
{
public:virtual Person* buy() {cout << "Perosn:全价" << endl;return 0;}
};class Student : public Person
{
public:Student* buy() {cout << "Student:半价" << endl;return 0;}
};

虽然协变指定是父类虚函数返回值是父类的指针或引用，紫烈虚函数返回值是子类的之怎或引用；但是，只要是满足继承关系的类，按照上述的方式去使用协变，也是可以的（就是说上述返回值不一定是 Person 和 Student，也可以是其他父子关系）。

如下代码所示（在 Person 和 Student 的虚函数返回值类型使用 A 和 B 其他继承关系）：


class A
{
public:};class B : public A
{
};class Person
{
public:virtual A* buy() {cout << "Perosn:全价" << endl;return 0;}
};class Student : public Person
{
public:B* buy() {cout << "Student:半价" << endl;return 0;}
};

但是协变是一个坑，由上面说的种种细节可以看出来，细节很多，不好记。而且协变在日常当中的使用频率也很少。不如不支持这个语法。但是在学校考试和面试当中经常考。

析构函数的重写

class Person {
public:virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};
class Student : public Person {
public:virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};

虽然上述的 Person 和 Student 两个类的析构函数名字看上去不同，但是实际上，继承当中的父类和子类的析构函数是可以构成虚函数的。

如上述例子， ~Perosn（）和 ~Student（）两个函数，子类可以重写。

之所以支持，是因为，类的虚构函数都被处理为了destructor 这个统一的名字。这样处理的目的也是为了让子类和父类的析构函数构成重写。

如果不这样处理，会出现一些问题，子类重写的话，会出现一些问题：

class Person {
public:~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};
class Student : public Person {
public:~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};int main()
{Person* p = new Person();delete p;p = new Student();delete p;return 0;
}

如上所示，我们希望输出的结果是：

~Person()
~Student()
~Person()

但，实际输出却是：

~Person()
~Person()

出现这个问题的原因是也 p 指针的类型。我们知道，普通对象看当前调用的类型来决定调用哪一个对象的析构函数，当前调用者（p）的类型是 Person*，所以自然只会调用 Person 对象的析构函数，（对于 delete p ，释放顺序是 p->destructor + operator delete(p) ），这里调用的是 Person的析构函数，但是这里我们不希望调用 Perosn的析构函数。

这里我们希望 p 指向那个对象就调用哪一个对象的析构函数，而不是看 p 指针的类型来决定调用哪一个对象的析构函数。如果看类型的话，一直调用的就是 p 的类型的析构函数。但是 p 这个指针有可能指向父类，也有可能指向子类。

我们希望 p->destructor（）调用的析构函数，是一个多态调用，而不是一个普通调用。

所以这里我们要使用多态来实现，在 detele 底层实现当中，就是使用指针来调用析构函数的，指针已经实现了，现在还差重写，所以才有了上述的析构函数重写。

final 和 override

上述我们也介绍了，如果实现函数重写，我们也发现，C++当中对于重写函数的规定还不少，缺一样都会导致重写失败。有些错误甚至在编译器时期是不会报错的，只有在程序运行之后才能发现问题，此时在发现问题就只能去debug，在代码量很多的场景当中，特别麻烦。

所以在C++11 当中新增了两个关键词 final 和 override ，来帮助我们检查是否重写。

final：

final 关键字是用来阻止某一虚函数被子类重写：

final 关键词修饰位置和之前 const 修饰 this 指针一样，是在参数列表括号的右边。（而且只能放在父类的虚函数上）

当父类的虚函数被 final 修饰之后，子类就不能再重写父类的这个虚函数了。

override：

override用于帮助派生类检查是否完成重写，如果没有，会报错：

这样就方式我们因为，派生类没有重写完成，而导致后序debug的麻烦了。

虚函数的指针与虚函数表（多态的一些底层原理）

下面这个例子，应该输出什么？

class Bass
{
public:virtual void func(){}private:char _b;
};int main()
{cout << sizeof(Bass) << endl;Bass b;return 0;
}

上述输出不是1，而是8。我们知道，类的大小只计算成员大小，不计算函数。

我们打开调试发现，在 b 这个对象当中多了一个 _vfptr 指针（virtual function）。

这指针是虚函数表指针，

这就是为什么，没有实现多态，不要把虚函数搞到类当中去；因为虚函数会被放进虚函数表当中；其实严格来说，虚函数还是存储在代码段当中的，而虚函数表当中存储的是各个虚函数的地址。

这个虚函数表，在重写之后，会发生变化，我们来看下面这个例子：

class Person {
public:virtual void BuyTicket() {cout << "买票-全价" << endl;}int _a = 1;
};
class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket() {cout << "买票-半价" << endl;}int _b = 2;
};void Func(Person& p)
{p.BuyTicket();
}int main()
{Person Mike;Student jason;Func(Mike);Func(jason);return 0;
}

在上述这个代码当中，Mike 对象（父类对象）当中有下面这两个部分：

_vfptr 是虚函数表的指针，此时的虚函数表当中存储的是 Person（父类）当中虚函数的地址，此时只有一个地址，因为只写了一个虚函数，如果有多个虚函数的话，有几个虚函数，虚函数表当中就有几个地址。

Jason对象（子类对象）当中有下面两个部分：

我们发现，在子类对象 jason 当中有一个父类对象，父类对象当中也有一个虚函数表指针，此时虚函数表当中也只有一个地址，这个地址已经发生了改变，指向了子类重写的虚函数。

总结：重写也可以叫覆盖，重写是我们写代码层面所看到的，覆盖是底层逻辑当中，子类重写的虚函数地址覆盖了父类虚函数的地址。

此时我们就明白下面这个函数是如果实现，传入父类就调用父类的函数，传入子类就调用子类的函数了：

传入父类，看到就是父类，直接调用父类的函数；传入子类，切片之后看到的还是父类；
如果是普通调用，在编译的时候就确定了地址，编译器判断是不是普通的调用很简单，看符不符合多态，不符合就是普通调用。
如果是普通调用，就直接看p的类型，p的类型是Person，那么就直接在Person当中找到这个函数的地址，所以就不能实现多态。
符合多态，就和上述说的一样，运行时到指向的对象的虚函数表当中，找调用。

重载，重写（覆盖），重定义（隐藏）的对比

虚函数和多态的例题

很多人，看到满足多态的条件，以为输出的是 B->0 ；但是实际输出却是 B->1。

我们发现，上述的func（）函数，满足虚函数重写，子类父类的虚函数函数名，返回值，参数类型和个数都是相同的（注意，不要看val 的缺省参数不同就认为这里不满足多态，参数列表相同只要求参数个数和参数类型相同即可）；

而且，在 test（）函数当中调用的 func （）函数，使用指针调用的，因为 func（）函数是本类当中的成员函数，本类当中的成员是需要用 this->func() 这样的形式来访问的；而这里的this指针是父类还是子类的指针呢？

答案是父类的。因为，子类继承父类当中的成员，不是直接进行拷贝赋值，而是调用父类的构造函数，在子类当中构造出一个父类的子对象，这个子对象我们可以理解为子类当中父类对象成员。然而，test（）函数是存在于代码段的，他也不是在子类和父类当中都有存在，也就是说，test（）函数只在代码段当中存储了一份，而不是在子类和父类当中都存储了一份。

因为，父类对象是直接在子类当中存储的，子类不会单独的看test（）函数，而是把父类对象看做是一个整体，test（）就在这个整体当中，所以，test（）对象当中的调用 func（）函数使用的this指针是 A*（父类指针）。

而在主函数当中的指针p，指向的是 B （子类对象），又满足多态，所以此时肯定是调用子类当中的 func（）函数，所以输出 B-> 是正确的。

但是，要注意的是，重写只是重写函数当中实现部分，对于函数名，返回值，参数列表还是使用的是父类的。所以，此处的 val 的缺省参数才是父类当中的1，而不是子类当中的0。

可以理解为，重写是，父类的函数名，返回值，参数列表 + 子类函数实现。

现在我们把上述例题修改一下，把 test（）函数挪到 B 函数当中，其他不变：

此时输出结果就是 B->0 了。因为此时的 test（）函数不满足多态的条件，此时的test（）函数当中调用的 func（）函数的 this 指针不是A*（父类指针）了，而是 B* （子类指针）。

所以，此时 test（）当中的调用 func（）函数，就只是一个简单的在本类当中调用本类的其他函数的情况。