C++类与对象-继承和多态（超全整理）

前言

        前面讲类与对象上中下时，所讲的都是在单个类中相关的语法（初始化列表、this指针、静态成员、常函数和常对象......）或者使两个不同的类产生联系的语法（友元）。而本文虽然也是类与对象的内容，但和之前的有所区别。继承和多态这两个技术解决的是由单个类衍生出多个与此相似或相关的类。例如继承，子类继承父类的相关属性进而实例化出属于子类的对象，这极大地减少了相似的代码量、提高了执行效率。下面会分别向大家介绍继承和多态的语法，最后会附上一个项目来更好地让大家上手应用。

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继承

       在现实中继承一词代表传承，例如我们常说的继承家产、继承家业这类的都是传承旧业的体现。在C++中也同样，利用继承这一语法技术能够将基类的某些属性传承到派生类中，从而避免代码出现冗余。其中被继承的类被称为基类或者父类，继承后的类被称为派生类或者子类。

继承语法

        class 子类名 : 继承方式 父类名 {};

一些概念：

单继承：单个父类能够被多个子类继承，即C++允许一父多子。

多继承：单个子类能够继承多个父类，即C++允许一个子类认多个父类。

菱形继承（钻石继承）：多个子类继承同一个父类后，同一个孙类继承了这些子类，此时这种关系被称为菱形继承关系。该过程如下图所示：

 继承方式

          继承方式有三种分别为，public（公共继承），protected（保护继承）和private（私有继承）

父类和子类的权限：当父类中权限被设为私有的成员，子类无论由哪种继承方式都无法访问父类中私有权限的内容。当父类中非私有的成员被继承时，继承后的子类成员权限有以下规则，Min(访问限制符，继承方式)，即继承后的子类成员权限取父类中访问限定符与继承方式的权限最小者。

继承方式

类成员/继承方式	public(公共继承)	protected(保护继承)	private(私有继承)
基类public(公共权限)	派生类对应权限为public	派生类对应权限为protected	派生类对应权限为private
基类protected(保护权限)	派生类对应权限为protected	派生类对应权限为protected	派生类对应权限为private
基类private(私有权限)	派生类无法访问	派生类无法访问	派生类无法访问

注意：父类中私有非静态属性被子类继承后虽然无法被子类访问，但子类依旧是继承下来了，只是没有访问权限罢了。

也可以通过sizeof运算符来验证这一点。

继承中构造和析构的顺序

        子类继承父类后，父子类间会有联系，当创建子类对象时既会调用子类的构造和析构函数，也会调用父类中的构造和析构，在这种情况下构造和析构的顺序会有分歧，下面来探讨一下这个问题。

继承中先调用父类构造在调用子类构造，析构顺序与构造正相反。

继承中同名成员的处理

          当子类存在与父类中同名的成员时，继承后会有一份同名的成员，此时可以运用域访问限定符来区分。操作如下：

结论：子类对象能直接访问到子类中的同名成员。子类对象加作用域可以访问到父类同名成员。当子类与父类拥有同名成员函数时，子类会隐藏父类中所有的同名成员函数，加作用域能访问到父类中的同名函数。

静态同名成员也可以通过域名直接访问，无需创建对象。

多继承

        多继承语法：class 子类 : 继承方式 父类1, 继承方式 父类2,...

 菱形继承问题

 

 如上图,当具有相同来源的子类被同一个孙类继承后,就会出现菱形继承的问题,主要的毛病是,造成数据的冗余和访问二义性。

 

 虚继承

        在子类继承父类时，在继承方式前加上 virtual 关键字可以对父类进行虚继承，虚继承可以解决菱形继承时引发的数据冗余和二义性的问题。本文对于虚继承语法内部暂不做讲解，在实际项目中一般也不会写菱形继承的代码。下面展示一下虚继承后的菱形继承效果：

派生类向基类的转换

        public继承的派生类对象可以赋值给基类的指针/指针的引用。但将派生类对象赋值后，基类的指针或者引用并未存储属于派生类对象的成员属性，准确来说是基类仅得到属于自己继承给派生类的那一部分属性，我们也管这叫类型的切片或者切割。在后面提到的的多态中会大量使用这种类型切片的语法。

 以上是继承语法的所有内容了，从下面开始延续多态的讲解。

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多态

        多态，简单来说就是多种形态。多态分为静态多态和动态多态，本文重点讲动态多态。其中，静态多态包括且不仅限于函数重载、运算符重载，静态多态主要的特点是：编译时决定函数的地址。动态多态则是由虚函数和派生类来实现的，动态多态的主要特点是：运行时才决定函数的地址。

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动态多态语法实现

        动态多态满足条件：1、有继承关系；2、子类重写父类的虚函数。

以上条件满足后一个多态就完成了，但如果不使用特定的方式来调用就无法体现多态的动态性，因此C++语法又提供了动态多态的使用条件：父类指针或引用执行子类对象对应的多态函数。

前面三点同时满足情况下才能验证动态多态的实现。

 以上是多态的体现，下面来展开讲讲。

第一：虚函数？

        在C++中用关键字virtual来修饰后的函数被称为虚函数，其实在继承那部分的时候我们也提到用这个关键字来解决菱形继承的问题，即虚继承。有关虚函数的讲解暂时搁置一边，下文中的多态的底层原理会重点刨析有关虚函数的问题。现在只需要知道加了virtual关键字后的函数被设置为了虚函数就行。

第二：子类重写父函数的虚函数？

         概念：函数名、返回值、参数类型完全一致的函数才能称为重写。子类是继承父类的，子类重写父类的虚函数后子类从父类中继承下来的虚函数就会被重写后的版本所覆盖。也就是能够有属于自己的独特的行为，虽然和父类名称相同、返回值相同、参数类型相同。同样重写后的底层有什么变化，我整理到下文的多态的底层原理这一专题会给大家讲解。

第三：父类指针或引用执行子类对象中对应的多态函数(虚函数且被重写了的函数称为多态函数)

以上是Chatgpt的回答，它的意思是说用父类指针或引用能够统一管理多个子类，即更贴切多态的概念和语法设计初衷，调用也不会存在歧义。在此之后我深入探究了一下有关这一问题它的答案如下：

 在此仅作兴趣了解即可，我们只要记住要使用多态就必须用父类指针指向子类对象，并用该指针调用对应的虚函数即可。

         以上是有关动态多态使用的理解，下面来剖析一下多态的底层原理

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多态的底层原理

        不知道大家是否好奇动态多态中的动态究竟是体现在哪里？以及使用动态多态情况下明明用的是父类的指针，为何使用的是对应的子类的函数呢？还有就是当父类存在多个虚函数时，使用父类指针是如何精确调用到对应的虚函数的呢？下面来剖析多态的底层原理，以便打破大家对多态的恐惧之心。

         在C++中， 动态多态的实现主要依赖于虚函数表(vftable)和虚函数表指针(vfptr),这是动态绑定的运行机制，下面围绕这两点来讲解多态的底层原理。

虚函数表(vftable)

        **虚函数表其实就是一个函数指针数组，如果C语言学得扎实的话不难理解，（对于函数指针数组不够清晰的同学可以查看我之前写的有关指针专题的文章），当一个类中包含虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表。每个包含虚函数的类中都会生成独立的虚函数表，表中存储的是该类中虚函数的地址，多态的动态绑定其实就是在运行时遍历该函数指针数组找到对应虚函数地址的过程。

        **子类继承父类后，会自动生成一份地址独立于父类但所有内容与父类相同的虚函数表，当子类重写虚函数表时，子类的虚函数就会覆盖继承下来的那份虚函数表中的内容，以反映自身的函数实现。

虚函数表指针(vfptr)

        **虚函数表指针（也有地方叫虚指针），是一个隐藏在类对象中的指针，用于指向虚函数表，每个对象在创建时都会有一个虚指针，指向该对象所属的类的虚函数表。该指针用于遍历虚函数表来决定调用类中的哪个虚函数。就像前面语法实现那一专题代码图中sizeof计算的就是虚函数表指针的大小(X64环境)。

调用过程

        **当通过基类指针或引用来调用对应的虚函数时，编译器会使用对象的虚函数表指针(vfptr)找到虚函数表(vftable)中对应的虚函数地址，进而调用该函数的实现。

下图为以上文字的体现：

 以上就是多态的底层执行原理，理解完后才能真正掌握多态的使用，希望大家花点心思琢磨一下，我也用了两三天想才想明白多态的原理，真的很需要耐心！！！

纯虚函数与抽象类

纯虚函数：一般情况下多态父类中的虚函数实现都是没必要的，重要的是子类中具体虚函数的实现，一般也不会调用多态中的动物类（父类），因此在多态中的父类都是零实现，像这种在类中没有实现的虚函数被称为纯虚函数，类中包含有纯虚函数的类被称为抽象类(structure class)。

 注意：1、抽象类无法实例化对象

            2、如果子类没有重写父类中纯虚函数，子类中的继承下来的虚函数也是纯虚函数，子类也是抽象类。

虚析构与纯虚析构

首先观察以下代码

要讲清楚为什么要重写析构函数就必须搞清楚上面这段代码是否有内存泄漏，搞清楚这个问题才能给大家引入虚析构和纯虚析构的问题。

        首先，前面给大家剖析了多态的底层原理与调用过程，我们知道虽然用的是父类指针来指向子类对象，但说到底这个指针就是父类创建的，红色区域内释放的就是父类指针指向的空间，因此只会调用父类的析构，无法调用子类的析构，因此存在内存泄露问题。

        为了单独解决这种情况，我们可以引入虚析构的概念，也就是说虚析构就是为了解决子类中存在动态开辟空间在删除时出现内存泄漏的问题。

        **与虚函数相同，只需要在父类析构函数前加上virtual关键字即可构成虚析构函数，如果父类不实现虚析构函数可以在后面直接加上=0即可构成纯虚析构函数，与虚函数不同的是：虚析构不需要再子类中重写，事实上只要父类中的析构被写成了虚析构后，所有继承该父类的子类，其对应的析构都已经是虚析构了，在释放父类指针内存时都是先调用子类的虚析构在调用父类的虚析构，此时内存泄露的问题也就解决了。

        **除此之外，纯虚析构并不是声明即可，纯虚析构即使不用也需要在类外定义。

如以下代码所示：

 纯虚析构版本如下：

 读至此处的同学，真的非常感谢！！！这篇文章我真的花了很大工夫，整理了很多也想得很深，创作此文前一边看语法一边思考，实属不易，现在突然顿悟想明白之后真的很有成就感，因此希望在这篇文章中将思考过程也总结一遍。希望对大家有所收获，也希望大家不碍点个三连，非常感谢。

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