C++多态

C++多态

1. 多态的介绍

多态是c++三大特性之一，多态的作用是使不同的对象调用同一函数有不同的效果。

2. 重写

2.1 一般重写

重写（又称覆盖）是多态中的一个重要概念，重写是实现多态的条件之一。

重写指两个函数在基类和派生类中，同时满足函数名相同、参数类型相同、返回值相同，且函数必须是虚函数。这样的两个函数构成重写。

但要注意基类中的虚函数必须要使用virtual关键字，但派生类的虚函数不需要有virtual也能构成虚函数，**因为虚函数重写的是函数体的实现，而函数的结构（函数名、返回值、参数等）用的是基类的。**但在实际使用中建议派生类的虚函数也使用virtual关键字以增加代码的可读性。

class A
{
public:
	virtual int func(int x, int y)
	{
		return x + y;
	}
};

class B:public A
{
public:
	virtual int func(int x, int y)
	{
		return x - y;
	}
};

func在A类和B类中构成函数重写。

2.2 协变重写

协变是重写的一种特殊情况，它是指在满足重写的其他条件下，两个函数的返回值不同。**协变重写的返回值必须是类对象的指针或引用。**即基类虚函数返回基类基类对象的指针或引用，派生类返回派生类对象的指针或引用。

class A
{
public:
	virtual A* func()
	{
		return new A(*this);
	}
};

class B:public A
{
public:
	virtual B* func()
	{
		return new B(*this);
	}
};

3.3 析构函数的重写

如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类的析构函数只要定义，无论是否加关键字virtual，都与基类的析构函数构成函数重写。虽然基类和派生类的析构函数名字不同，但编译器对析构函数的名字做了特殊处理，程序编译后析构函数会被统一改名成destructor，这样析构函数的重写便满足了重写的规则。

析构函数的重写在多态的使用中是很要必要的，如果派生类向内存申请了空间，在析构的时候如果不使用重写很容易造成内存泄漏。所以在使用多态的程序中建议析构函数定义为虚函数，防止发生内存泄漏。

对比两段代码的运行结构：

3. 多态的使用方法

多态要在继承的前提下使用。

条件：

1. 基类和派生类要完成虚函数的重写。
2. 父类的指针或者引用去调用虚函数。

如有一个person类和一个student类，student类是person类的派生类。这两种对象在调用买火车票代码时，person类对象是全价票价，而student类是半价票价。实现这种情况的方法就是多态。

#include  
using namespace std;

class person
{
public:
	void BuyTicek()
	{
		cout << "普通人-全价票" << endl;
	}
};

class student :public person
{
public:
	virtual void BuyTicek()
	{
		cout << "学生-半价票" << endl;
	}
};

void func(person* p)
{
	p->BuyTicek();
}

int main()
{
	person p;
	student s;

	func(&p);
	func(&s);
}

4. override 和final

4.1 override

override和final是c++11提供的功能。override能检查派生类中的虚函数是否和基类的虚函数构成重写，是一种检查代码是否编写正确的手段

#include  
using namespace std;

class A
{
public:
	 void func()
	{

	}

};

class B :public A
{
public:
	virtual void func() override
	{

	}
};

int main()
{
	A a;
	B b;

	return 0;
}

4.2 final

final可以使一个基类的虚函数不能被重写：

#include  
using namespace std;

class A 
{
public:
	 virtual void func() final{}
};
class B :public A
{
public:
	virtual void func(){}
};

int main()
{
	A a;
	B b;
	return 0;
}

final也可以使一个类不能被继承。在final之前c++98提供一种使类不能被继承的方法：

把类的构造函数写在私有作用域，导致派生类无法访问基类的构造函数，无法实例化。但缺点是代码只有在实例化的时候才会报错。

而final关键字使程序在编译的时候就能够产生报错并提供准确的错误信息。

class A final
{
public:
	 virtual void func(){}

};

class B :public A
{
public:
	virtual void func(){}
};
int main()
{
	A a;
	B b;	
	return 0;
}

5. 多态的原理

一个类中如果有虚函数，那么这个类实例化时，内部除了成员变量，还会有一个**虚函数表指针，简称虚表指针。**虚表指针是一个函数指针数组，它指向这个类中所有的虚函数。同类型的对象共用一张虚表（指向的地址相同），不同类型的对象虚表不同。

在32位下，一个函数指针数组指向第一个元素的地址，所以占4个字节，int类型占4个字节，char类型占一个字节，共9个字节。又因为对齐值为4，最终大小为12

同类型的对象共用一张虚表

因为派生类可以看作是特殊的基类，所以在使用多态的时候，派生类可以用基类的指针或引用来调用虚函数。在调用多态时，调用生成的指令就会去对应的虚表中找对应的虚函数来调用。

上面已经提到，相同的类型使用同一张虚表，不同类型使用不同的虚表。派生类虽然可以看成特殊的基类，但本质与基类不同，所以基类和派生类的虚表不同。运行时，调用的指令指向基类就调用基类的虚表，指向派生类就调用派生类的虚表。

#include  
using namespace std;

class A
{
public:
	virtual void func1(){}
	virtual void func2(){}

private:
	int i;
	char ch;
};
class B :public A
{
public:
	virtual void func1(){}
	virtual void func2(){}

private:
	int i;
	char ch;
};

int main()
{
	A a;
	B b;
	return 0;
}

基类和派生类的虚表不同，因为它们本质不是相同的类。

6. 重载、重定义（隐藏）和重写（覆盖）的区别

1. 函数重载，要求两个函数在同一作用域，函数名相同，返回值相同，参数不同。

2. 重定义（隐藏），要求两个函数分别在基类和派生类的作用域，函数名相同。

3. 重写（覆盖），要求两个函数分别在基类和派生类的作用域，函数名、参数、返回值相同（协变重写除外），且两个函数必须是虚函数。

在基类和派生类中，如果有同名函数，如果它不构成重定义（隐藏）就一定构成重写（覆盖）。

7. 抽象类

7.1 抽象类的定义

包含纯虚函数的类叫做抽象类。纯虚函数是一个只有声明没有定义的虚函数，它的声明方法为：

抽象类不能实例化出对象，它用来存放纯虚函数，而纯虚函数的意义是间接强制派生类重写虚函数。抽象类为基类时，它的派生类如果不重写纯虚函数的定义，那么基类的纯虚函数就被继承下来，导致派生类也无法实例化出对象。

#include  
class A
{
    virtual void func() = 0;
};

7.2接口继承和实现继承

普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类的函数，可以使用函数，继承的是函数的实现；虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态，继承的是接口。所以，如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

8. 多态与虚函数

1. 虚函数和普通函数一样，都是存在代码段。而类中指向虚函数的虚表存在常量区（vs下），在构造函数中完成初始化。

2. 子类有虚函数，继承的父类也有虚函数，那么子类的虚表就在父类中，子类对象就不需要单独建立虚表。

3. 多继承情况下，派生类的虚表在第一个父类的虚表中。