【C++】多态（1）：多态定义&&实现及虚函数的重写-优快云博客

多态（polymorphism）的概念：通俗来说，就是多种形态。多态分为编译时多态（静态多态）和运行时多态（动态多态），这里我们重点讲运行时多态。编译时多态（静态多态）主要就是我们前面讲的函数重载和函数模板，它们传不同类型的参数就可以调用不同的函数，通过参数不同达到多种形态，之所以叫编译时多态，是因为它们实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的，我们把编译时一般归为静态，运行时归为动态。

运行时多态，具体点就是去完成某个行为（函数），可以传不同的对象就会完成不同的行为，就达到多种形态。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，是优惠买票（5折或75折）；军人买票时是优先买票。再比如，同样是动物叫的一个行为（函数），传猫对象过去，就是“(>^ω^<)喵”，传狗对象过去，就是“汪汪”。

class Person {
public:
 virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};

class Student : public Person {
public:
 virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
};

void Func(Person* ptr)
{
 // 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket 
 // 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。 
 ptr->BuyTicket();
}

int main()
{
 Person ps;
 Student st;
 Func(&ps);
 Func(&st);
 return 0;
}

运行结果：

二多态的定义和实现

1. 多态的构成条件

多态是指在继承关系下，不同的类对象调用同一函数时，产生不同行为的现象。例如，Student 类继承自 Person 类，Person 对象调用 “买票” 函数执行全价逻辑，而 Student 对象调用同名的 “买票” 函数则执行优惠逻辑。

2 实现多态的两个必须重要条件（重点！！！）

实现多态必须满足以下两个核心条件：

必须通过基类的指针或者引用来调用虚函数。
被调用的函数必须是虚函数，且派生类对该虚函数完成了重写（覆盖）

注意区分：虚函数和我们上一接所讲的虚继承是完全不同的两个东西

（1）说明

（2）示例

class Animal
{
public:
 virtual void talk() const
 {
   std::cout << "吱吱" << std::endl;
 }
};
class Dog : public Animal 
{
public:
 virtual void talk() const
 { 
 std::cout << "汪汪" << std::endl;
 }
};
class Cat : public Animal
{
public:
 virtual void talk() const
 { 
 std::cout << "(>^ω^<)喵" << std::endl; 
 }
};
void letsHear(const Animal& animal)
{
 animal.talk();
}
int main()
{
 Cat cat;
 Dog dog;
 letsHear(cat);
 letsHear(dog);
 return 0;
}

正常来写我们的多态是这样的，运行结果为：

(>^ω^<)喵
汪汪

但是如果没有满足两个核心条件会怎么样呢？

上面红框的部分缺少任何一个，都不是多态了，就变成了继承的调用，会直接调用两次Animal

那什么是虚函数呢？

3 虚函数

类成员函数前面加virtual修饰，那么这个成员函数被称为虚函数。注意非成员函数不能加virtual修饰。

class Person 
{
public:
 virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
};

4 虚函数的重写/覆盖

虚函数的重写/覆盖：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、函数名字、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。

注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写，依旧构成多态(因为继承后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，不建议这样使用，不过在考试选择题中，经常会故意买这个坑，让你判断是否构成多态。

5 多态场景的⼀个选择题（面试考过）

以下程序输出结果是什么（）
A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F:以上都不正确

class A
 {
 public:
 virtual void func(int val = 1){ std::cout<<"A->"<< val <<std::endl;}
 virtual void test(){ func();}
 };
 
 class B : public A
 {
 public:
 void func(int val = 0){ std::cout<<"B->"<< val <<std::endl; }
 };
 
 int main(int argc ,char* argv[])
 {
 B*p = new B;
 p->test();
 return 0;
 }

答案：B

多态调用：父类虚函数申明 + 子类中实现构成这个虚函数

普通调用：看调用指针或引用的类型

我们首先判断是否构成了多态：构成

多态时：重写是重写虚函数的实现部分

6 虚函数重写的一些其他问题

协变(了解)

派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时，称为协变。协变的实际意义并不大，所以我们了解⼀下即可。

析构函数的重写（面试常考！！）

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不符合重写的规则，实际上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destructor，所以基类的析构函数加了vialtual修饰，派生类的析构函数就构成重写。
下面的代码我们可以看到，如果~A()，不加virtual，那么delete p2时只调用的A的析构函数，没有调用B的析构函数，就会导致内存泄漏问题，因为~B()中在释放资源。
注意：这个问题面试中经常考察，⼤家⼀定要结合类似下面的样例才能讲清楚，为什么基类中的析构函数建议设计为虚函数。

class A
{
public:
 virtual ~A()
 {
 cout << "~A()" << endl;
 }
};
class B : public A {
public:
 ~B()
 { 
 cout << "~B()->delete:"<<_p<< endl;
 delete _p;
 }
protected:
 int* _p = new int[10];
};


int main()
{
 A* p1 = new A;
 A* p2 = new B;//基类指针指向派生类对象
 delete p1;
 delete p2;//通过基类指针删除派生类对象
9 return 0;
}

为什么会造成内存泄漏呢？

1 非虚析构函数的问题：只调用基类析构函数

如果基类A的析构函数没有加virtual（即非虚析构函数），则：

析构函数的调用遵循 “静态绑定” 规则：编译器只根据指针的静态类型（A*）决定调用的析构函数，即只调用A的析构函数~A()。
此时，派生类B的析构函数~B()不会被调用。

2 . 内存泄漏的根源：派生类的资源未释放

在示例中，派生类B有一个动态分配的成员_p：

class B : public A {
protected:
  int* _p = new int[10];  // 动态分配的内存
public:
  ~B() { 
    delete _p;  // 负责释放_p的内存
  }
};

_p指向的内存是在B的构造过程中分配的，必须在B的析构函数中释放（否则会泄漏）。
若B的析构函数未被调用（因基类析构非虚），_p指向的内存永远不会被delete，导致内存泄漏。

3 . 虚析构函数的作用：确保派生类析构被调用

当基类A的析构函数加virtual后：

析构函数成为虚函数，调用规则变为 “动态绑定”：编译器会根据指针指向的动态类型（B）决定调用的析构函数。
此时，delete p2会先调用B的析构函数~B()（释放_p），再自动调用基类A的析构函数~A()（清理基类资源），所有资源都被正确释放，无内存泄漏。

用父类的指针指向new出来的派生类对象，然后去delete。因为基类的析构函数不是虚函数，就不构成重写，不构成重写就是普通调用，普通调用就可能会造成内存泄漏

解决方案：一定要构成多态调用，基类的析构函数是虚函数就没问题了（这个时候派生类就可以不加virtual）

在面试中考察这个问题的时候，我们可以通过这个例子：基类指针指向派生类对象来讲述

7 override 和 final关键字

从上面可以看出，C++对虚函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，比如函数名写错、参数写错等导致无法构成重写，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才来debug会得不偿失，因此C++11提供了override，可以帮助用户检测是否重写。如果我们不想让派生类重写这个虚函数，那么可以用final去修饰。

// error C3668: “Benz::Drive”: 包含重写说明符“override”的⽅法没有重写任何基类⽅法 
class Car {
public:
 virtual void Dirve()
 {}
};
class Benz :public Car {
public:
 virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
 return 0;
}

// error C3248: “Car::Drive”: 声明为“final”的函数⽆法被“Benz::Drive”重写 
class Car
{
public:
 virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
 virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
 return 0;
}

注意：override是用于修饰派生类函数 final用来修饰基类函数