C++多态

什么是多态

• 多态是指调用同一个函数时，出现不同的效果。

多态分类

• 静态的多态：函数重载就是静态的多态
• 动态的多态：用父类的指针或引用调用虚函数

虚函数

• 虚函数是指：类的成员函数被 virtual 修饰的函数（普通函数不能用virtual修饰）

• 注意：

  • 内联函数实际是没有地址的，但是如果内联函数被virtual修饰，则编译器会忽略函数的内联属性，把它当做正常函数使用。
  • 静态成员函数是不能作为虚函数的，因为静态函数调用时不会隐式传入this指针，所以静态成员函数无法放入虚函数表。
  • 构造函数不能是虚函数，因为构造函数阶段，虚表还没有初始化，所以构造函数不能是虚函数。

• 有虚函数的类，编译器会自动增加一个成员变量（虚表指针，指向虚表(函数指针数组)）

  • 例如下列类，sizeof(A) == 12
  • 实际的成员变量为：1个指针类型，一个int类型，一个char类型
  • 根据对齐规则，所以类的大小为 12 字节。

class A
{
public:
    virtual void test()   //这个就是虚函数
    {}
    int a;
    char b;
}

继承中构成多态的条件

• 必须通过父类的指针或引用调用虚函数

• 被调用的函数必须是虚函数，且子类必须对虚函数进行覆盖。

  • 注意：虚函数的覆盖，必须是返回类型、函数名、参数列表都相同才行。
  • 如果返回值是父类、子类的指针或引用时，返回值不同也可以构成虚函数覆盖（协变）
  • 如果父类的析构函数为虚函数，则子类的析构函数只要定义（无论是否virtual修饰），都与父类的虚析构函数构成覆盖。（析构函数本身函数名就不相同）

class A
{
public:
    virtual void test()   //这个就是虚函数
    {}
}

class B
{
  public:
    virtual void test()   //覆盖父类的虚函数
    {}  
}

虚函数的重写（覆盖）

• 子类会继承父类的虚函数，如果子类有父类虚函数的重写时，就会将重写的虚函数地址覆盖父类虚函数的地址。

• 注意：虚函数的重写，是重新实现父类的虚函数，所以重写的函数参数要使用父类的参数。
• 下列代码运行结果为：B->0

class A
{
public:
    virtual void test1(int a = 0)
    {
        cout << "A->" << a << endl;
    }
    virtual void test()   //父类函数被子类调用
    {
        test1(); //这里其实隐含了一个this，即this->test1()
          //子类调用test，传递指针p，所以这里是 p->test1()
    }
    
};

class B :public A
{
public:
    virtual void test1(int a = 1)
    {
        cout << "B->" << a << endl; 
              //理论上这里应该是输出B->1
              //但是这个函数重写父类的函数，是实现父类的函数
              //所以a在这里要使用父类的a = 0
    }
};


int main()
{
    B* p = new B;  //创建子类
    p->test();    //子类调用父类成员
    
    return 0;
}

虚析构函数的覆盖

• 下列 类A 的析构函数被声明为虚函数，子类的析构函数与父类构成覆盖

class A
{
public: 
    virtual ~A()    //父类的析构函数声明为虚函数
    {
        cout << "~A" << endl;
    }
};

class B :public A
{
public:
    ~B()   //与父类的虚析构函数构成覆盖
    {
        cout << "~B" << endl;
    }
};

int main()
{
    A* p1 = new A;
    A* p2 = new B;
    delete p1;
    delete p2;
    return 0;
}

• 构成覆盖后，delete p2时，会先调用子类的析构函数，再调用父类的析构函数。
• 如果没有构成覆盖，则delete p2时只会调用父类的析构函数。
  

关键字final和override

• final：修饰虚函数，使虚函数不能被覆盖。（加在父类中）

  • final修饰类时，表示这个类不能被继承。
• override：修饰虚函数，检测是否正确覆盖。（加在子类中）

class A
{
public:
    virtual void test()final   //使该虚函数不能覆盖
    {
    }
}

class B: public A
{
public:
    virtual void test()override //检查虚函数是否正确覆盖
    {}
}

重载、覆盖、隐藏的对比

• 重载：

  • 两个函数在同一作用域
  • 函数名相同，参数不同

• 覆盖：

  • 两个函数分别在父类和子类中
  • 函数名、参数、返回值必须相同（协变除外）
  • 两个函数必须是虚函数

• 隐藏：

  • 父类和子类拥有同名成员，当调用这些同名成员时，无法确定调用的是父类还是子类
  • 所以子类不能直接调用父类的成员，必须指明这个成员属于哪个类。
  • 即子类成员屏蔽了父类成员的直接访问（这就是隐藏）

  纯虚函数（抽象类）

• 在虚函数后面加上 =0，则这个函数为纯虚函数。
• 包含纯虚函数的类叫做抽象类（接口类），抽象类不能实例化出对象。
• 子类继承抽象类后也不能实例化出对象，只有覆盖（重写）纯虚函数，子类才能实例化出对象。
• 纯虚函数强制子类必须覆盖函数，更加体现出接口继承。
• 纯虚函数不需要实现功能，只需要声明（重写时再实现功能）

class A  //抽象类
{
public:
    virtual void test() = 0;   //纯虚函数

}

虚表与虚表指针

• 虚表全称虚函数表，用来存放类中所有虚函数的指针，一个类只会有一份虚表（无论创建多少个对象）
• 虚表会在编译阶段生成，在运行阶段使用。
• 虚表指针全称虚函数表指针，指向虚函数表。
• 虚表指针是编译器自动创建的，在程序运行时，会根据对象类型去初始化虚表指针，从而让虚表指针指向所属类的虚表。
• 注意：对象的前四个字节就是虚表的地址，虚表存放在常量区（虚表是不能人为更改的）

多态的示例

class A
{
public:
    virtual void test() //父类虚函数
    {
        cout << "A的类" << endl;
    }
};

class B :public A
{
public:
    virtual void test()   //虚函数的覆盖
    {
        cout << "B的类" << endl;
    }
};

void f1(A& p)  //使用引用
{
    p.test();
}

void f2(A p)
{
    p.test();
}

int main()
{
    A aa;
    B bb;
    f1(aa);   //输出 A的类
    f1(bb);   //输出 B的类

    f2(aa);   //输出 A的类
    f2(bb);   //输出 A的类
    return 0;
}

• void f1(A& p) 使用父类的引用，引用无需拷贝，直接将传递的参数拿来使用，所以可以分别调用父类的 test() 和子类的 test() 。
• void f2(A p) 使用父类的对象，相当于值传递，需要拷贝出一个临时变量，而拷贝时是不会拷贝虚表指针，虚表指针在程序运行时根据对象类型去初始化（对象p的类型是 A ，所以虚表指针指向 A的虚表）
• 所以 void f2(A p) 函数中，无论传递哪种子类的对象，最终调用的虚函数都是会是 A 父类的虚函数。