C/C++：04. 多态和虚函数

不加virtual，只能访问成员变量，不能访问成员函数

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前言

本节阐述C++中的多态（polymorphism）和虚函数（virtual function），首先来阐明一下什么是多态。

• C++中的多态指通过一个基类的指针或引用来调用其派生类对象的函数，从而实现对不同子类对象的不同处理。
• 基类指针指指向最原始那个类对象的指针。
• 虚函数是C++中一种函数的声明方式，虚函数就是为了解决当一个基类指针调用派生子类对象函数的时候，执行的是派生子类对象的函数和参数，而不是基类的。

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1 虚函数与多态

不用虚函数的多态

#include <iostream>
using namespace std;// 基类A
class A{
protected:int a_A;
public:// A(int a):a_A(a){}void display();
};
void A::display(){cout<< "this is class A\n"<<"and value = \n"<< a_A<<endl;
}
// 派生类 B
class B : public A{
public:B(int a): A(a){}void display();
};
void B::display()
{cout<< "this is class B\n"<<"and value = \n"<< a_A<<endl;
}int main()
{A *p = new A(1);p->display();p = new B(2);p->display();return 0;
}

运行结果：

this is class A
and value = 1
this is class A
and value = 2

我们常态思维：如果指针指向了派生类对象，就应该使用派生类的成员变量和成员函数。但是该实例告诉我们，当基类指针p指向派生类B的对象的时候，虽然使用了派生类B的成员变量，但是却没有使用它的成员函数，导致输出结果啥也不是。

也就是说，通过基类指针只能访问派生类的成员变量，但是不能访问派生类的成员函数。

为了消除上述尴尬，让基类指针能够访问派生类的成员函数，C++增加了虚函数（Virtual Function）。使用虚函数非常简单，只需要在函数声明前面增加virtual关键字。

使用虚函数的多态

#include <iostream>using namespace std;class A{
protected:int a_A;
public:A(int a):a_A(a){}virtual void display();
};void A::display(){cout<< "this is class A\n"<<"and value = "<< a_A<<endl;
}class B : public A{public:B(int a): A(a){}void display();
};void B::display()
{cout<< "this is class B\n"<<"and value = "<< a_A<<endl;
}int main()
{A *p = new A(1);p->display();p = new B(2);p->display();return 0;
}

运行结果：

this is class A
and value = 1
this is class B
and value = 2

只需要在函数申明的前面加上virtual便可以解决上述所说的尴尬。更全面地实现了多态。
C++提供多态的目的是：可以通过基类指针对所有派生类（包括直接派生和间接派生）的成员变量和成员函数进行“全方位”的访问，尤其是成员函数。如果没有多态，我们只能访问成员变量。

2 C++虚函数注意事项 构成多态的条件

C++虚函数注意事项

• 只需要在虚函数的声明处加上virtual关键字，函数定义处可以加也可以不加
• 只需要将基类中的函数声明为虚函数，这样所有派生类中具有遮蔽关系的同名函数都将自动成为虚函数。
• 当在基类中定义了虚函数，但是在派生类没有定义新的函数来遮蔽次函数，那么将使用基类的虚函数。
• 只有派生类的虚函数覆盖基类的虚函数（函数原型相同）才能构成多态（通过基类指针访问派生类函数）。
• 构造函数不能是虚函数。对于基类的构造函数，他仅仅是在派生类构造函数中被调用，这种机制不同于继承。也就是说，派生类不继承基类的构造函数，将构造函数声明为虚函数没有任何意义；另外还有一种原因：C++中的构造函数用于创建对象时进行初始化工作，在执行构造函数之前对象尚未创建完成，虚函数表尚不存在，也没有指向虚函数表的指针，所以此时无法查询虚函数表，也就不知道要调用哪个构造函数。
• 析构函数可以声明为虚函数，而且有时候必须要声明为虚函数

构成多态的条件

• 必须存在继承的关系；
• 继承关系中必须有同名的虚函数，并且他们是覆盖关系（函数原型相同）；
• 存在基类的指针，通过该指针调用虚函数；
• 通过基类指针只能访问从基类继承过去的成员，不能访问派生类新增加的成员。

什么时候声明虚函数

• 首先看成员函数所在的类是否会作为基类。
• 然后看成员函数在类的继承后有无可能被更改功能。

3 C++虚析构函数的必要性

析构函数用于在销毁对象时进行清理工作，可以声明为虚函数，且有时候必要声明为虚函数。

#include <iostream>using namespace  std;
// 基类 A
class A{
protected:char* str;public:A(){str = new char[100];cout<<"A contructor"<<endl;}~A(){delete str;cout<<"A destructor"<<endl;}
};
// 派生类 B
class B: public A{
private:char* name;
public:B(){name = new char[100];cout<<"B contructor"<<endl;}~B(){delete name;cout<<"B destructor"<<endl;}
};int main()
{A *pa = new B();delete pa;cout<<"================="<<endl;B *pb = new B();delete pb;return 0;
}

在上述代码中，首先定义了基类A，定义了A的成员变量（protected）str，在构造函数中为str申请一块内存，在析构函数中销毁str的这块内存；定义了A的派生类B，B中定义成员变量name，在B的构造函数中为name申请一块内存，并在B的析构函数中销毁这块内存。 在main函数中，首先定义一个基类A的指针指向派生类B的对象，然后释放这个指针。又定义一个指向派生类的指针指向派生类的对象，再释放该指针。

运行结果：

A contructor
B contructor
A destructor
=================
A contructor
B contructor
B destructor
A destructor

很显然出现了问题：内存泄露，基类指针指向派生类对象，在释放基类指针的时候，并没有执行派生类的析构函数（没有释放掉派生类中为成员变量name申请的内存空间），只是执行基类的析构函数。

为什么delete pa; 不会调用派生类的析构函数？
这里的析构函数不是虚函数，通过指针访问非虚函数的时候，编译器会根据指针的类型来确定要调用的函数；也就是说，指针指向哪个类就调用哪个类的函数，。因此pa是基类的指针，不管它指向基类对象还是派生类的对象，始终都只调用基类的析构函数。

为什么delete pb; 会同时调用派生类和基类的析构函数？
pb是派生类的指针，编译器会根据它的类型匹配到派生类的析构函数，在执行派生类的析构函数的过程中，又会调用基类的析构函数。派生类析构函数始终会调用基类的析构函数，这个过程是隐式完成的。

解决方法：将基类的析构函数声明为虚函数。

class A{
public:A();virtual ~A();
protected:char* str;
};

运行结果：

A contructor
B contructor
B destructor
A destructor
=================
A contructor
B contructor
B destructor

基类虚析构函数 联动：当基类的析构函数声明为虚函数之后，派生类的析构函数也会自动称为虚函数。此时编译器会忽略指针的类型，而根据指针的指向来选择函数；也就是说，指针指向哪个类就调用哪个类的函数。pa和pb都指向派生类的对象，所以会调用派生类的析构函数，继而再调用基类的析构函数。因此也就解决了内存泄漏问题。

因此多半情况下，基类的析构函数是虚函数

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总结

使用了虚函数之后，我们就可以通过定义一个基类指针，遍历所有的派生类成员变量和成员函数，很大程度简化了代码的复杂度。