C++进阶：多态-编程实验室

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一、多态的概念

二、多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

2.1.1 实现多态的两个必须条件

2.1.2 虚函数

2.2 虚函数相关

2.2.1 虚函数的重写/覆盖

2.2.2 多态场景的一个选择题

2.2.3 虚函数重写的一些其他问题

2.2.4 override 和 final 关键字

2.2.5 重载/重写/隐藏的对比

三、纯虚函数和抽象类

3.1 纯虚函数

3.2 抽象类

四、多态的原理

4.1 虚函数表指针

4.2 多态的原理

4.3 动态绑定和静态绑定

4.4 虚函数表

一、多态的概念

多态及多种形态，分为编译时多态(静态多态)和运行时多态(动态多态)。静态多态主要是函数重载和函数模板，传入不同参数就可以调用不同函数，通过参数的不同达到多种形态。

动态多态，具体就是去完成某个行为(函数)，可以传不同对象就会完成不同行为，达到多种形态。

二、多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

多态是一个继承关系下的类对象，去调用同一函数，不同对象产生了不同的行为。⽐如Student继承了Person。Person对象买票全价，Student对象优惠买票。

2.1.1 实现多态的两个必须条件

1）、必须是父类的指针或引用调用虚函数

2）、被调用的函数必须是虚函数，子类必须对父类的虚函数重写或者覆盖

2.1.2 虚函数

类成员函数前面加 virtual 修饰，那么称这个成员函数是虚函数。

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

2.2 虚函数相关

2.2.1 虚函数的重写/覆盖

子类当中有一个跟父类完全相同的虚函数（函数名、返回类型、参数类型完全一样），称子类的虚函数重写了父类的虚函数。

如图，调用的是各自的BuyTiket();

注意：子类的虚函数可以不加 virtual 关键字，但是这样写是不规范的。

2.2.2 多态场景的一个选择题

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; }

如图，B继承A，test当中this指针实际上是A*，并不是B*（继承实际上是一个查找规则，而不是拷贝父类到子类中）；this->func()，两个func() 构造多态，实现子类B的func()方法，但是，重写的本质是函数体内方法的替换，this->func() 中val的缺省值仍然是A类中的1，因此结果是 B->1。

2.2.3 虚函数重写的一些其他问题

析构函数的重写：

父类的析构函数为虚函数，此时子类析构函数只要定义，无论是否加 virtual ，都与父类的析构函数构成重写。实际上，编译器对析构函数名称做了特殊处理，编译后析构函数名称统一处理成destructor。

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]; }; // 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() { A* p1 = new A; A* p2 = new B; delete p1; delete p2; return 0; }

如果基类A的析构不加virtual，那么delete p2的时候就只能调用A的析构，没有调用B的析构，有内存泄漏的问题。

2.2.4 override 和 final 关键字

C++11提供这两个关键字。

1）、在派生类成员函数参数列表的后面加 override ，检查成员函数是否完成重写，若没有则报错

class Car { public: virtual void Dirve() {} }; class Benz :public Car { public: virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; } };

2）、如果不想让派生类重写这个虚函数，那么就可以用 final 修饰

class Car { public: virtual void Drive() final {} };

2.2.5 重载/重写/隐藏的对比

三、纯虚函数和抽象类

3.1 纯虚函数

在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数。纯虚函数不需要定义实现（可以但一般不实现），只要声明即可。

class Car { public: virtual void Drive() = 0; };

3.2 抽象类

包含纯虚函数的类叫做抽象类，抽象类不能实例化出对象。如果派生类继承后不重写纯虚函数，那么派生类也是抽象类。

纯虚函数某种程度上强制了派生类重写虚函数，因为不重写就不能实例化出对象。

// 编译报错：error C2259: “Car”: ⽆法实例化抽象类 Car car;

四、多态的原理

4.1 虚函数表指针

class Base { public: virtual void Func1() { cout << "Func1()" << endl; } protected: int _b = 1; char _ch = 'x'; }; int main() { Base b; cout << sizeof(b) << endl; return 0; }

在内存对齐中，一开始是一个虚函数表指针，4字节，一个int有4字节，一个char有1字节，最后补上3字节，整体是12字节。

虚函数表（virtual function table）里面存放的是该类虚函数的函数指针，其本质就是一个函数指针数组。

4.2 多态的原理

满⾜多态条件后，底层不再是编译时通过调⽤对象确定函数的地址，⽽是运⾏时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的地址，这样就实现了指针或引⽤指向基类就调⽤基类的虚函数，指向派⽣类就调⽤派⽣类对应的虚函数。

class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; } private: string _name; }; class Student : public Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; } private: string _id; }; class Soldier : public Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; } private: string _codename; }; 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() { // 其次多态不仅仅发⽣在派⽣类对象之间，多个派⽣类继承基类，重写虚函数后 // 多态也会发⽣在多个派⽣类之间。 Person ps; Student st; Soldier sr; Func(&ps); Func(&st); Func(&sr); return 0; }

4.3 动态绑定和静态绑定

1）、对不满⾜多态条件(指针或者引⽤+调⽤虚函数)的函数调⽤是在编译时绑定，也就是编译时确定调⽤函数的地址，叫做静态绑定。

2）、满⾜多态条件的函数调⽤是在运⾏时绑定，也就是在运⾏时到指向对象的虚函数表中找到调⽤函数的地址，也就做动态绑定。

// ptr是指针+BuyTicket是虚函数满⾜多态条件。 // 这⾥就是动态绑定，编译在运⾏时到ptr指向对象的虚函数表中确定调⽤函数地址 ptr->BuyTicket(); 00EF2001 mov eax,dword ptr [ptr] 00EF2004 mov edx,dword ptr [eax] 00EF2006 mov esi,esp 00EF2008 mov ecx,dword ptr [ptr] 00EF200B mov eax,dword ptr [edx] 00EF200D call eax // BuyTicket不是虚函数，不满⾜多态条件。 // 这⾥就是静态绑定，编译器直接确定调⽤函数地址 ptr->BuyTicket(); 00EA2C91 mov ecx,dword ptr [ptr] 00EA2C94 call Student::Student (0EA153Ch)