【C++】多态

最新推荐文章于 2025-05-08 16:46:06 发布

CodeWinter

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分类专栏： C++ 文章标签： c++ 后端多态面向对象三大特性

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_48025315/article/details/125249832

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本文深入探讨了C++中的多态性，包括多态的概念、实现方式、虚函数、抽象类以及多态的动态绑定和静态绑定。通过实例分析了虚函数表、动态绑定的原理，展示了多态在不同继承关系中的表现。此外，还讨论了C++11中的`final`和`override`关键字以及抽象类的特性。

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文章目录

一、前言

本节中所有情况与代码与解释都是VS2019的x86环境下进行的。其它编译环境下，可能会有一些些底层实现的小细节不一样。

二、多态的概念

多态按字面的意思就是多种形态，当类之间存在层次结构，并且类之间是通过继承关联时，就会用到多态。

具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

C++ 多态意味着调用成员函数时，会根据调用函数的对象的类型来执行不同的函数。

举个栗子：比如买票这个行为，当普通人买票时，是全价买票；学生买票时，是半价买票；军人买票时，是优先买票。

再举个栗子：最近为了争夺在线支付市场，支付宝年底经常会做诱人的扫红包-支付-给奖励金的活动。那么大家想想为什么有人扫的红包很大有8块、10块…，而有人扫的红包都是1毛，5毛…。其实这背后也是一个多态行为。支付宝首先会分析你的账户数据和用户行为等等，比如你是新用户、比如你没有经常支付宝支付等等，那么你需要被鼓励使用支付宝，那么就你扫码金额 = random()%99；比如你经常使用支付宝支付或者支付宝账户中常年没钱，那么就不需要太鼓励你去使用支付宝，那么就你扫码金额 = random()%1；总结一下：同样是扫码动作，不同的用户扫得到的不一样的红包，这也是一种多态行为。

还有就是花呗借呗每个人的额度不一样，也是分析每个人的账户数据、消费流水、消费频率等等，为不同的用户生成不同的额度。

ps：上述例子仅供娱乐。

三、多态的定义和实现

3.1 多态的构成条件

多态是在继承关系中不同的类对象，去调用同一函数，产生了不同的行为。

比如 Student 继承了 Person。Person 对象买票全价，Student 对象买票半价。

在继承中要构成多态有两个条件缺一不可：

构成多态的函数必须是虚函数，且派生类必须对基类的虚函数进行重写(覆盖)。
必须通过基类的指针或者引用调用虚函数。

满足上述条件后，基类的指针指向基类对象则调用基类的虚函数，指向派生类对象则调用派生类的虚函数。

3.2 虚函数

虚函数：被 virtual 关键字修饰的==类成员函数==称为虚函数。

3.3 虚函数的重写(覆盖)

虚函数重写(覆盖)的条件：

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、参数列表完全相同），称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。

虚函数重写(覆盖)的两个例外：

协变（基类与派生类的虚函数返回值类型不同）

派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即返回值必须为父子类类型的指针或引用时，称为协变。（了解一下，见得少）

// A和B为父子类
class A {
   };
class B : public A {
   };

class Person {
   
public:
	virtual A* BuyTicket() // 返回值为父类(A)的指针
	{
   
		cout << "普通人 - 全价买票" << endl;
		return new A;
	}
};

class Student : public Person {
   
public:
	virtual B* BuyTicket() // 返回值为子类(B)的指针
	{
   
		cout << "学生 - 半价买票" << endl;
		return new B;
	}
};

void Func(Person* ptr) {
   
	// 多态 -- ptr指向基类对象则调用基类的虚函数，指向派生类对象则调用派生类的虚函数
	ptr->BuyTicket();
}

int main() {
   
	Person per;
	Func(&per);

	Student stu;
	Func(&stu);

	return 0;
}

析构函数的重写（基类与派生类析构函数名不同）

如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类析构函数只要定义，无论是否加 virtual 关键字，都与基类的析构函数构成重写。虽然基类与派生类析构函数名字不同，看起来违背了重写的规则，其实不然，这里可以理解为编译器对析构函数的名称做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处理成了 destructor。

举个栗子，==在new对象特殊场景==下：

因为编译后基类和派生类的析构函数名相同，当它们不是虚函数时，构成隐藏关系：

因为不构成多态，就看指针是什么类型，p1 和 p2 都是 Person* 类型，所以都调用 Person 类的析构函数

因为编译后基类和派生类的析构函数名相同，当它们是虚函数时，构成重写关系：

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

class Student : public Person {
     
public:
	virtual ~Student() {
      cout << "~Student()" << endl; }
};

// 基类和派生类的析构函数不是虚函数，它们是隐藏关系
// 基类和派生类的析构函数是虚函数，它们是重写关系

int main()
{
     
	// 普通场景下，虚函数是否重写都是ok的
	Person p;
	Student s;

	// new对象特殊场景
	// 只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，
	// 下面的delete对象调用析构函数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调用析构函数。
	Person* p1 = new Person;
	Person* p2 = new Student;
	delete p1; // p1->destructor + operator delete(p1)
	delete p2; // p2->destructor + operator delete(p2)
	return 0;
}

派生类中重写基类的虚函数可以不加 virtual 关键字（因为基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性），但是该种写法不是很规范，所以建议加上。

3.4 关于多态的拓展（动态 & 静态）

有些书籍会把多态进行更细的划分：

静态的多态 – 函数重载，调用同一个函数，传不同的参数，就有不同的行为/形态
动态的多态 – 继承体系中不同的对象去调用同一个虚函数，就有不同的行为/形态

3.5 拓展：C++11 新增的 final 和 override

C++针对继承和多态新增的两个关键字：final 和 override

从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有得到预期结果时才来 debug 会得不偿失，因此：C++11提供了 final 和 override 两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写。

// 基类
class Car
{
     
public:
    // final修饰基类虚函数
	virtual void Drive() final
    {
     }
};

// 派生类
class Benz :public Car
{
     
public:
    // 无法重写基类中被 “final” 修饰的虚函数
	virtual void Drive() {
      cout << "Benz-舒适" << endl; }
};