C++虚函数和多态

虚函数对于多态具有决定性的作用，有虚函数才能构成多态，我来重点说一下虚函数的注意事项。

1. 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。

2. 为了方便，你可以只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（覆盖）关系的同名函数都将自动成为虚函数。关于名字遮蔽已在《C++继承时的名字遮蔽》一节中进行了讲解。

3. 当在基类中定义了虚函数时，如果派生类没有定义新的函数来遮蔽此函数，那么将使用基类的虚函数。

4. 只有派生类的虚函数遮蔽基类的虚函数（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）。例如基类虚函数的原型为virtual void func();，派生类虚函数的原型为virtual void func(int);，那么当基类指针 p 指向派生类对象时，语句p -> func(100);将会出错，而语句p -> func();将调用基类的函数。

5. 构造函数不能是虚函数。对于基类的构造函数，它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什么意义。

6. 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

多态是指通过基类的指针既可以访问基类的成员，也可以访问派生类的成员。
下面是构成多态的条件：

• 必须存在继承关系；
• 继承关系中必须有同名的虚函数，并且它们是遮蔽（覆盖）关系。
• 存在基类的指针，通过该指针调用虚函数。

下面的例子对各种混乱情形进行了演示：

#include <iostream>
using namespace std;

//基类Base
class Base{
public:
    virtual void func();
    virtual void func(int);
};
void Base::func(){
    cout<<"void Base::func()"<<endl;
}
void Base::func(int n){
    cout<<"void Base::func(int)"<<endl;
}

//派生类Derived
class Derived: public Base{
public:
    void func();
    void func(char *);
};
void Derived::func(){
    cout<<"void Derived::func()"<<endl;
}
void Derived::func(char *str){
    cout<<"void Derived::func(char *)"<<endl;
}

int main(){
    Base *p = new Derived();
    p -> func();  //输出void Derived::func()
    p -> func(10);  //输出void Base::func(int)
    p -> func("http://c.biancheng.net");  //compile error

    return 0;
}

在基类 Base 中我们将void func()声明为虚函数，这样派生类 Derived 中的void func()就会自动成为虚函数。p 是基类 Base 的指针，但是指向了派生类 Derived 的对象。

语句p -> func();调用的是派生类的虚函数，构成了多态。

语句p -> func(10);调用的是基类的虚函数，因为派生类中没有函数遮蔽它。

语句p -> func;出现编译错误，因为通过基类的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，如果希望更改其功能的，一般应该将它声明为虚函数。如果成员函数在类被继承后功能不需修改，或派生类用不到该函数，则不要把它声明为虚函数。

在C++中，可以将虚函数声明为纯虚函数，语法格式为：

virtual 返回值类型 函数名 (函数参数) = 0;

纯虚函数没有函数体，只有函数声明，在虚函数声明的结尾加上=0，表明此函数为纯虚函数。

最后的=0并不表示函数返回值为0，它只起形式上的作用，告诉编译系统“这是纯虚函数”。

包含纯虚函数的类称为抽象类（Abstract Class）。之所以说它抽象，是因为它无法实例化，也就是无法创建对象。原因很明显，纯虚函数没有函数体，不是完整的函数，无法调用，也无法为其分配内存空间。

抽象类通常是作为基类，让派生类去实现纯虚函数。派生类必须实现纯虚函数才能被实例化。

纯虚函数使用举例：

#include <iostream>
using namespace std;

//线
class Line{
public:
    Line(float len);
    virtual float area() = 0;
    virtual float volume() = 0;
protected:
    float m_len;
};
Line::Line(float len): m_len(len){ }

//矩形
class Rec: public Line{
public:
    Rec(float len, float width);
    float area();
protected:
    float m_width;
};
Rec::Rec(float len, float width): Line(len), m_width(width){ }
float Rec::area(){ return m_len * m_width; }

//长方体
class Cuboid: public Rec{
public:
    Cuboid(float len, float width, float height);
    float area();
    float volume();
protected:
    float m_height;
};
Cuboid::Cuboid(float len, float width, float height): Rec(len, width), m_height(height){ }
float Cuboid::area(){ return 2 * ( m_len*m_width + m_len*m_height + m_width*m_height); }
float Cuboid::volume(){ return m_len * m_width * m_height; }

//正方体
class Cube: public Cuboid{
public:
    Cube(float len);
    float area();
    float volume();
};
Cube::Cube(float len): Cuboid(len, len, len){ }
float Cube::area(){ return 6 * m_len * m_len; }
float Cube::volume(){ return m_len * m_len * m_len; }

int main(){
    Line *p = new Cuboid(10, 20, 30);
    cout<<"The area of Cuboid is "<<p->area()<<endl;
    cout<<"The volume of Cuboid is "<<p->volume()<<endl;
  
    p = new Cube(15);
    cout<<"The area of Cube is "<<p->area()<<endl;
    cout<<"The volume of Cube is "<<p->volume()<<endl;

    return 0;
}

运行结果：
The area of Cuboid is 2200
The volume of Cuboid is 6000
The area of Cube is 1350
The volume of Cube is 3375

本例中定义了四个类，它们的继承关系为：Line --> Rec --> Cuboid --> Cube。

Line 是一个抽象类，也是最顶层的基类，在 Line 类中定义了两个纯虚函数 area() 和 volume()。

在 Rec 类中，实现了 area() 函数；所谓实现，就是定义了纯虚函数的函数体。但这时 Rec 仍不能被实例化，因为它没有实现继承来的 volume() 函数，volume() 仍然是纯虚函数，所以 Rec 也仍然是抽象类。

直到 Cuboid 类，才实现了 volume() 函数，才是一个完整的类，才可以被实例化。

可以发现，Line 类表示“线”，没有面积和体积，但它仍然定义了 area() 和 volume() 两个纯虚函数。这样的用意很明显：Line 类不需要被实例化，但是它为派生类提供了“约束条件”，派生类必须要实现这两个函数，完成计算面积和体积的功能，否则就不能实例化。

在实际开发中，你可以定义一个抽象基类，只完成部分功能，未完成的功能交给派生类去实现（谁派生谁实现）。这部分未完成的功能，往往是基类不需要的，或者在基类中无法实现的。虽然抽象基类没有完成，但是却强制要求派生类完成，这就是抽象基类的“霸王条款”。

抽象基类除了约束派生类的功能，还可以实现多态。请注意第 51 行代码，指针 p 的类型是 Line，但是它却可以访问派生类中的 area() 和 volume() 函数，正是由于在 Line 类中将这两个函数定义为纯虚函数；如果不这样做，51 行后面的代码都是错误的。我想，这或许才是C++提供纯虚函数的主要目的。

关于纯虚函数的几点说明

1. 一个纯虚函数就可以使类成为抽象基类，但是抽象基类中除了包含纯虚函数外，还可以包含其它的成员函数（虚函数或普通函数）和成员变量。

2. 只有类中的虚函数才能被声明为纯虚函数，普通成员函数和顶层函数均不能声明为纯虚函数。如下例所示：

//顶层函数不能被声明为纯虚函数
void fun() = 0;   //compile error

class base{
public :
    //普通成员函数不能被声明为纯虚函数
    void display() = 0;  //compile error
};

三、虚函数、覆盖、多态
１、虚函数
类成员函数声明前有 virtual 关键字，这种函数叫虚函数。
２、覆盖（重写）
子类中的成员函数会覆盖基类中的虚函数（完全一样，如果仅仅是函数名一样，只能构造隐藏）。
３、如果子类的成员函数对基类的虚函数形成的有效的覆盖，当一个基类指针指向子类对象，然后调用该虚函数时，实际被执行的是覆盖版本，而不是原始的虚函数，这种语法规则叫做多态。
多态的意义在于在一般情况下，调用哪个类中的成员函数由调用都的指针或引用类型决定的，而当多态发生时，调用哪个成员函数则完全由调用者指针或引用的实际目标对象决定，这样源自同一类型的同一种调用可以根据实际情况产生不同响应，种情况叫多态。
使用多态可以提供接口服务，提高代码的封装性，安全性，隐蔽性。

二、覆盖和多态的条件
１、覆盖的条件
必须是成员函数，必须是虚函数，只能成员函数才能使用virtual
函数签名必须相同：函数签名指的是函数名＋形参类型＋常属性＋返回值（可以不一样，必须能够进行自动类型转换）。
覆盖不会影响访问属性。

２、重载、覆盖、隐藏
重载必须在同一作用域内
覆盖：父子类＋虚函数＋函数签名
隐藏：父子类之间的同名成员，如果没有构成覆盖，则必会形成隐藏。

３、多态条件
想构成多态，除进行覆盖，还需要基类指针或引用进行调整覆盖函数才有能形成。
基类的this指针虽然是基类类型的，但如果实际指向的是子类，他能调用子类的覆盖函数，构成多态。
在基类的构造函数（子类还没有构造完成）或析构函数（子类已经析构完成）中调用虚函数不能形成多态。

三、纯虚函数抽象类
１、什么是纯虚函数，就必须被覆盖的虚函数，纯虚函数只用声明即可，如果要定义的话必须写在类外。

２、至少有一个纯虚函数的类叫抽象类
抽象类不能创建出对象，只能以指针或引用的状态指向子类对象。

３、纯抽象类
所以的成员函数都纯虚函数，这种类专门用来做接口。