C++ 多态相关-优快云博客

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如何实现多态

多态性主要借助两种方式来实现：静态（编译时）多态和动态（运行时）多态。

1. 静态多态（编译时多态）

静态多态是通过函数重载和运算符重载来达成的，其绑定过程在编译阶段就已完成。

函数重载

函数重载指的是在同一个作用域内，可以定义多个同名但参数列表不同的函数。编译器会依据调用函数时的实参类型和数量，来决定具体调用哪个函数。

class Calculator {
public:
    int add(int a, int b) { return a + b; }
    double add(double a, double b) { return a + b; }
    int add(int a, int b, int c) { return a + b + c; }
};

运算符重载

运算符重载允许我们自定义运算符的行为，使其能够作用于自定义类型。

class Vector {
private:
    int x, y;
public:
    Vector(int x = 0, int y = 0) : x(x), y(y) {}
    Vector operator+(const Vector& v) const {
        return Vector(x + v.x, y + v.y);
    }
};

2. 动态多态（运行时多态）

动态多态基于虚函数和继承机制，通过基类指针或引用调用虚函数时，会在运行时根据对象的实际类型来确定要调用的函数。

虚函数（Virtual Functions）

在基类中，使用virtual关键字声明的函数就是虚函数，派生类可以对其进行重写（override）。

class Shape {
public:
    virtual double area() const { return 0.0; } // 虚函数
};

class Circle : public Shape {
private:
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double area() const override { return 3.14 * radius * radius; } // 重写虚函数
};

纯虚函数与抽象类

纯虚函数是在基类中声明但不实现的虚函数，它的声明形式为virtual 返回类型函数名() = 0;。包含纯虚函数的类被称为抽象类，抽象类不能实例化，必须由派生类提供纯虚函数的实现。

class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0; // 纯虚函数
    virtual ~Shape() = default; // 虚析构函数
};

class Rectangle : public Shape {
private:
    double width, height;
public:
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
    double area() const override { return width * height; } // 实现纯虚函数
};

虚析构函数

为了防止通过基类指针删除派生类对象时出现内存泄漏，基类的析构函数应当（极端点：必须）声明为虚函数。

class Base {
public:
    virtual ~Base() { cout << "Base destructor" << endl; }
};

class Derived : public Base {
private:
    int* data;
public:
    Derived() { data = new int[100]; }
    ~Derived() override {
        delete[] data;
        cout << "Derived destructor" << endl;
    }
};

3. 多态性的应用示例

下面通过一个完整的例子，展示如何利用动态多态实现一个图形面积计算系统：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0; // 纯虚函数
    virtual ~Shape() = default;
};

class Circle : public Shape {
private:
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double area() const override { return 3.14 * radius * radius; }
};

class Rectangle : public Shape {
private:
    double width, height;
public:
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
    double area() const override { return width * height; }
};

int main() {
    vector<Shape*> shapes;
    shapes.push_back(new Circle(5.0));
    shapes.push_back(new Rectangle(4.0, 6.0));

    for (const auto& shape : shapes) {
        cout << "Area: " << shape->area() << endl; // 动态调用
        delete shape; // 正确释放内存
    }

    return 0;
}

4. 关键要点总结

静态多态：依赖函数重载和运算符重载，在编译时确定要调用的函数。
动态多态：依赖虚函数和继承，在运行时根据对象的实际类型确定要调用的函数。
虚函数的使用规则：
- 在基类中使用virtual关键字声明虚函数。
- 派生类使用override关键字显式重写虚函数（C++11 及以后版本）。
- 基类析构函数必须声明为虚函数，防止内存泄漏。
抽象类的作用：用于定义接口，不能实例化，必须由派生类实现其纯虚函数。

关键字 override

C++中的关键字override（重载）用于在派生类中声明一个函数与其基类中同名函数的关系。当派生类在虚函数声明时使用override描述符时，需要重载其基类中的同名函数，否则编译器将会提示错误。

override关键字是可选的，用于显式地指示编译器一个成员函数（通常是虚函数）是重写了基类中的同名函数。如果你不使用override关键字，编译器仍然会执行重写行为，只要函数的签名与基类中的虚函数相匹配。

override的使用条件

基类成员函数为虚函数（virtual）
派生类中重写该成员函数
函数签名必须完全匹配：派生类中的函数必须与基类中被重写的虚函数在函数签名上完全匹配，包括函数名、参数类型、常量性（const）和引用修饰符（&或&&）。否则，编译器将不会认为这是一个重写，而是一个新的函数。
返回类型可以协变：在C++中，重写虚函数的返回类型可以是基类虚函数返回类型的子类。这被称为返回类型协变。例如，如果基类虚函数的返回类型是Base*或Base&，那么派生类中重写的函数的返回类型可以是Derived*或Derived&，其中Derived是Base的子类。
只能重写公有和保护的虚函数：你只能重写基类中的公有和保护的虚函数。私有虚函数不能在派生类中被重写，因为它们在派生类中不可见。
不能重写非虚函数：override关键字只能用于重写虚函数。如果你尝试使用override关键字重写一个非虚函数，编译器会报错。
不能改变虚函数的默认参数：虽然C++允许你在派生类中为重写的虚函数提供不同的默认参数，但这通常是一个坏主意，因为它可能会导致意外的行为。当你通过基类指针或引用调用虚函数时，将使用基类版本的默认参数，而不是派生类版本的默认参数。

使用override 关键字的好处

程序员的意图更清晰：通过在派生类中使用override关键字，可以清楚地表明该函数是对基类中的虚函数的重写。这使得代码更易读，更易理解。
让编译器发现一些错误：如果你标记了一个函数为override，但它并没有真正重写任何基类中的函数，编译器会报错。这可以帮助你捕获一些可能的错误，例如函数签名的误差。
提高代码的维护性：如果基类的虚函数在未来发生改变（例如参数类型或数量的改变），但是派生类中的重写函数没有相应地改变，那么使用了override关键字的函数会在编译时报错，这样可以及时发现并修复问题。
提高代码的稳定性：使用override关键字可以确保当基类的虚函数接口改变时，所有的派生类都会得到更新，否则编译器会报错。这可以防止因接口改变而导致的运行时错误。
提高代码的可读性和可理解性：override关键字明确地表明了函数是重写了基类中的函数，这对于阅读和理解代码非常有帮助。