【C++进阶02】多态

一、多态的概念及定义

1.1 多态的概念

多态简单来说就是多种形态
同一个行为，不同对象去完成时
会产生出不同的状态
多态分为静态多态和动态多态
静态多态指的是编译时
在程序编译期间确定了程序的行为
比如：函数重载
动态多态指的是运行时
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

1.2 在继承中要构成多态的两个条件

1. 必须通过父类指针或引用调用虚函数

2. 虚函数的重写
函数名、参数类型、返回值都要相同

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;}
};

1.3 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

普通函数的继承是实现继承
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
如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数

class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }// 只要父类析构加了virtual就构成多态，子类加不加都可以正确释放virtual ~Person() { cout << "~Person" << endl; };
};class Student : public Person {
public: // 子类可以不写virtual，因为他继承父类的接口，重写实现virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }~Student() { cout << "~Student" << endl; }
};void Func(Person& p)
{ p.BuyTicket(); }int main()
{
Person ps;
Student st;// 构成多态后
Func(ps); // 传父类调用父类的虚函数
Func(st); // 传子类调用子类的虚函数return 0;
}

1.4 协变

如果是父子关系的指针或引用
返回值可以不同也构成多态

class A{};
class B : public A {};
class Person {
public:virtual A* f() {return new A;}
};
class Student : public Person {
public:virtual B* f() {return new B;}
};

1.5 final和override

final： 修饰虚函数
表示该虚函数不能再被重写
现实中不常用，不能实现多态的虚函数
意义不大

class Car
{
public:virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:virtual void Drive() {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};

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

class Car{
public:virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car {
public:virtual void Drive() override {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};

1.6 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

面试题经常被问到

1.7 抽象类

在虚函数后面加上 =0
这个函数就叫纯虚函数
包含纯虚函数的类叫做抽象类
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

class Car
{
public:// 纯虚函数 --- 抽象类virtual void Drive() = 0;
};int main()
{Car car; // 无法实例化对象return 0;
}

二、多态的原理

2.1 虚函数表

这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？

class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}
private:int _b = 1;
};int main()
{cout << sizeof(Base) << endl;return 0;
}

在32位操作系统下是8 bit
在64位操作系统下是16 bit
通过调试发现还有个指针_vfptr
这个指针叫做虚函数表指针
本质是指针数组
用来存放虚函数的地址

对象中存的是虚表指针
虚表存的是虚函数指针
虚函数和普通函数一样的
都是存在代码段的

2.2 多态的原理

通过下面代码观察父子类
的虚表之间的关系

class Base
{
public:virtual void Func(){cout << "Base::Func1()" << endl;}
};
class Derive : public Base
{
public:virtual void Func(){cout << "Derive::Func1()" << endl;}
};void Test(Base* p)
{p->Func();
}int main()
{Base b;Derive d;Test(&b);return 0;
}

监视窗口

通过监视窗口可以发现
派生类对象d中也有一个虚表指针
通过地址发现基类和派生类的虚表是不一样的

虚函数表本质是存虚函数指针的指针数组
一般情况这个数组最后面放了一个nullptr

结论：
观察下图红色箭头
当传过来的是父类对象的地址
p->Func在父类的虚表中找对应的虚函数Func地址
当传过来的是子类对象的地址
p->Func在子类的虚表中找对应的虚函数Func地址

这样就实现不同对象的同一行为
展现的不同状态

当父类有虚函数而子类没有虚函数
也没有重名函数
子类是不能继承父类的虚表指针
子类会生成一个虚表指针
存父类的虚函数地址
当子类有虚函数而父类没有
父类也就不会有虚表
因为子类有的东西父类不一定有

派生类的虚表生成：
a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中
b.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
c.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

2.3 在多态下建议把基类的析构函数定义成虚函数

如果基类析构函数不是虚函数
就调不到派生类的析构函数
(指针类型是父类，所以调用父类的析构函数)
从而造成内存泄漏

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

形成多态的条件之一便是
只能通过父类去调用
所以子类对象只能强转成父类类型
如果父类的析构函数不是虚函数
那子类便调不到自己的析构函数
因为子类对象的类型是父类
所以只能调用父类的析构函数
子类成员无法释放从而造成内存泄漏
父类析构函数定义成虚函数便能解决问题

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