C++进阶之多态全方位剖析

爱被打了一巴掌 2022-02-27 06:27 258阅读 0赞

**1.多态的概念**  
当不同的对象去完成某个行为时，会产生出不同的状态；通俗来说就是多种形态。  
eg: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。

**2.多态的定义及实现**  
2.1 多态定义的构成条件  
多态是在不同继承关系的类对象，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。  
继承中**构成多态的两个条件：**  
1.调用函数的对象必须是指针或者引用。  
2.被调用的函数必须是虚函数，且完成了虚函数的重写。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTA2MDA5_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
虚函数：指在类的成员函数的前面加virtual关键字

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

***虚函数的重写***：派生类中有一个跟基类的完全相同的虚函数，我们就称子类的虚函数重写了基类的虚函数。其中，完全相同是指：函数名，参数，返回值都相同。另外，虚函数的重写也叫做虚函数的覆盖。

class Person
    {
    public:
    	virtual void BuyTicket()
    	{
    		cout << "买票全价" << endl;
    	}
    };
    
    class Student :public Person
    {
    public:
    	virtual void BuyTicket()
    	{
    		cout << "买票半价" << endl;
    	}
    };
    
    void Func(Person & people)
    {
    	people.BuyTicket();
    }
    
    void Test()
    {
    	Person per;
    	Student st;
    
    	Func(per);
    	Func(st);
    
    	return 0;
    }

**虚函数重写例外**：协变（了解！用于选择题辨析）  
协变：重写的虚函数的返回值可以不同，但是必须分别是基类指针和派生类指针或者基类引用和派生类引用。

class A{};
    
    class B : public A {};
     
    class Person { 
    public:
        virtual A* f() {return new A;}
       };
    
    class Student : public Person{
    public:
        virtual B* f(){return new B;}
    };

**提示**：在派生类中重写的成员函数可以不加Virtual关键字，也能构成重写。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的属性，我们只是重写了它。（但这种行为非常不规范，不建议平时这样使用。）

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

**注意**：基类的析构函数最好写成虚函数。因为，如果基类中的析构函数是虚函数，那么派生类的析构函数就重写了基类的析构函数。虽然他们的函数名不相同，看起来违背了重写的规则，其实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destructor。

class Person { 
    public: 
       virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;} 
     };
     
    class Student : public Person {
     public:    
        virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; } 
     };
     
    // 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。
    int main() {    
    Person* p1 = new Person;    
    Person* p2 = new Student;
    
     delete p1;    
     delete p2;
     
     return 0; 
     }

普通函数与类型有关（实现继承：派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现。）  
多态调用与对象有关（接口继承：派生类继承的是基类函数的接口，目的是为了重写，达成多态，继承的是接口）虚函数的继承也是一种接口继承，所以，如果不实现多态，不能把函数定义为虚函数。

## **2.2 重载，覆盖（重写），隐藏（重定义）的对比** ##

重载：两个函数在同一作用域；函数名/参数相同。  
重写（覆盖）：两个函数分别在基类和派生类的作用域；  
函数名/参数/返回值都必须相同（协变例外）；  
两个函数必须是虚函数。  
重定义（隐藏）：两个函数分别在基类和派生类的作用域；  
函数名相同；两个基类和派生类的同名函数不构成重写就是重定义。

**3.抽象类**  
\*\*\*在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数。\*\*\*包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口类），抽象类不能实例化出对象。  
\*\*\*只有重写纯虚函数，派生类继承后才能实例化出对象。\*\*\*纯虚函数规范了派生类必须重写，另外纯虚函数更体现出了接口继承。

**4.C++11中的override和final**  
虚函数的意义是实现多态，如果没有重写，虚函数就没有意义。所以，C++11提供override 和 ﬁnal 来修饰虚函数。  
建议使用纯虚函数+override（检查是否构成重写函数）的方式来强制重写虚函数。

// 1.final 修饰基类的虚函数不能被派生类重写 
    class Car 
    { 
    public:    
    	virtual void Drive() final {} 
    };
    
    class Benz :public Car 
    { 
    public:    
    	virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
    }

class Car{ 
    public:    
    	virtual void Drive(){} 
    }; 
    // 2.override 修饰派生类虚函数强制完成重写，如果没有重写会编译报错 
    class Benz :public Car { public:   
    	virtual void Drive() override {cout << "Benz-舒适" << endl;} 
    };

**5.多态的原理**  
**5.1虚函数表与多态的原理**  
虚函数表本质是一个**存虚函数指针**的指针数组。  
虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中。  
派生类的虚表生成步骤：  
a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中  
b.如果派生类重写了基 类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数  
c.派生类自己新增加的虚函数按其在 派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。  
满足多态以后的函数调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象中取的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的。

**5.2 动态绑定与静态绑定**

1.  静态绑定又称为前期绑定(早绑定)，在程序编译期间确定了程序的行为，也称为静态多态，比如：函数 重载
2.  动态绑定又称后期绑定(晚绑定)，是在程序运行期间，根据具体拿到的类型确定程序的具体行为，调用 具体的函数，也称为动态多态。
3.  本小节之前(5.2小节)买票的汇编代码很好的解释了什么是静态(编译器)绑定和动态(运行时)绑定。

## 6.多态的常见面试题 ##

1.  什么是多态？答：当不同的对象去完成某个行为时，会产生出不同的状态。
2.  什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？答：参考上面的内容
3.  多态的实现原理？答：虚函数表
4.  inline函数可以是虚函数吗？答：不能，因为inline函数没有地址，无法把地址放到虚函数表中。
5.  静态成员可以是虚函数吗？答：不能，因为静态成员函数没有this指针，使用类型::成员函数的调用方式 无法访问虚函数表，所以静态成员函数无法放进虚函数表。
6.  构造函数可以是虚函数吗？答：不能，因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始 化的。
7.  析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？答：可以，并且最好把基类的析构函数定义 成虚函数。具体参考上面的（2.多态的定义）。
8.  对象访问普通函数快还是虚函数更快？答：首先如果是普通对象，是一样快的。如果是指针对象或者是 引用对象，则调用的普通函数快，因为构成多态，运行时调用虚函数需要到虚函数表中去查找。
9.  虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？答：虚函数是在编译阶段就生成的，一般情况下存在静态区 的。
10. C++菱形继承的问题？虚继承的原理？答：参考继承。注意这里**不要把虚函数表和虚基表搞混了**。
11. 什么是抽象类？抽象类的作用？答：参考（3.抽象类）。抽象类强制重写了虚函数，另外抽象类体现出 了接口继承关系。

封装–>管理  
继承–>复用  
多态–>灵活性

\*\*声明：\*\*本次博客中的实例是以vs2013下的x86程序中，涉及的指针都是4bytes。如果在其他 平台下，部分代码可能需要改动。例如，在x64程序中，则需要考虑指针是8bytes问题等等。

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