c++ 多态

爱学习的小道长2023-10-22 0:31

1. 简介

多态按字面的意思就是多种形态。当类与类之间存在继承关系的时候，就会用到多态。

C++ 多态意味着调用成员函数时，会根据调用函数的对象的类型 来执行不同的函数。多态分为为静态多态 和 动态多态 两种。

平常说的多态是 动态多态

2. 静态多态

静态多态是编译器在编译期间 完成的，编译器会根据实参类型 来选择调用合适的函数，如果有合适的函数可以调用就调，没有的话就会发出警告或者报错 。 该种方式的出现有两处地方： 函数重载 和 泛型编程 | 函数模板

  • 特点：
  1. 在编译时确定函数调用或代码生成，效率高。
  2. 可以根据不同的参数类型或数量进行函数重载或模板特化。
  3. 静态多态决策发生在编译阶段，对于每次运行都是固定的。
  • 使用场景
  1. 函数重载（Function Overloading）： 在同一个作用域内定义了多个同名但参数列表不同的函数。根据函数调用时传递的参数类型或数量，编译器会决定调用哪个具体的函数。
cpp 复制代码 
#include <iostream>

void print(int num) {
    std::cout << "Integer: " << num << std::endl;
}

void print(double num) {
    std::cout << "Double: " << num << std::endl;
}

int main() {
    int a = 20;
    double b = 3.14;

    print(a);  // 调用print(int)
    print(b);  // 调用print(double)

    return 0;
}
  1. 模板（Template）： 使用模板可以编写泛型代码，在编译时生成对应特定类型的代码，从而实现静态多态。
cpp 复制代码 
#include <iostream>

template<typename T>
void print(T value) {
    std::cout << "Value: " << value << std::endl;
}

int main() {
    int a = 20;
    double b = 3.14;

    print(a);  // 根据实参类型生成print<int>(int)
    print(b);  // 根据实参类型生成print<double>(double)

    return 0;
}

3. 动态多态

动态多态： 指只有在运行的时候才能决定到底调用哪个类的函数

动态多态的必须满足两个条件：

  1. 父类中必须包含虚函数，并且子类中一定要对父类中的虚函数进行重写。
  2. 父类的 指针 | 引用 接收子类对象 ，使用这个指针 | 引用 来调用同名的虚函数。

代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

class father{
public:
    void doSomething(){
        cout << "父亲在做事..." <<endl;
    }
};
class son : public father{
public:
    void doSomething(){
        cout << "儿子在干活..." <<endl;
    }
};
int main() {

    //father &f0 = father f0;   报错，'father' does not refer to a value
    //这是父类的对象
    father f;
    f.doSomething();
    //父类的引用能接受父类的对象
    father &f1 = f;
    f1.doSomething();
    //父类的指针接收父类的对象。
    father * f2  =new father();
    f2->doSomething();
    //子类的指针接收子类的对象
    son * s = new son();
    s->doSomething();
    //父类的指针接收子类对象
    father *f4 = new son();
    f4->doSomething();

    // son * s1 =new father(); 报错 Cannot initialize a variable of type 'son *' with an rvalue of type 'father *'

    return 0;
}

运行结果：

cpp 复制代码 
父亲在做事...
父亲在做事...
父亲在做事...
儿子在干活...
父亲在做事...
  • 特点
  1. 虚函数：动态多态性依赖于虚函数。在基类中使用 virtual 关键字声明虚函数，派生类可以对其进行重写。当通过基类的指针或引用调用虚函数时，实际调用的是对象的派生类函数，而不是基类函数。
  2. 运行时确定：动态多态性在运行时确定，而不是在编译时。这意味着在程序运行时根据实际对象的类型来动态选择调用的函数，而不是根据指针或引用的类型来决定。
  3. 基类的通用接口：动态多态性使得可以通过基类的指针或引用来访问派生类的对象，并调用它们的成员函数。这为实现基类的通用接口提供了便利，可以处理一组派生类对象，统一地访问它们的接口，提高代码的灵活性和可维护性。
  • 使用场景
  1. 多态行为：当有多个派生类对象，但是希望以一种统一的方式处理它们时，动态多态性非常有用。通过使用基类的指针或引用，可以在运行时根据实际对象的类型来选择调用的函数，实现多态行为。
cpp 复制代码 
#include <iostream>

// 基类 Shape
class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0;
};

// 派生类 Rectangle
class Rectangle : public Shape {
private:
    double width;
    double height;

public:
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}

    double area() const override {
        return width * height;
    }
};

// 派生类 Circle
class Circle : public Shape {
private:
    double radius;

public:
    Circle(double r) : radius(r) {}

    double area() const override {
        return 3.14159 * radius * radius;
    }
};

int main() {
    Shape* shape1 = new Rectangle(4, 3);
    Shape* shape2 = new Circle(5.0);

    std::cout << "Rectangle area: " << shape1->area() << std::endl;
    std::cout << "Circle area: " << shape2->area() << std::endl;

    delete shape1;
    delete shape2;

    return 0;
}
  1. 统一接口：通过使用基类的指针或引用，可以定义一个通用的接口，处理一组派生类对象。这样可以在不了解具体派生类的情况下，统一地访问它们的接口，提供代码的灵活性和可维护性。
cpp 复制代码 
#include <iostream>

// 基类 Drawable
class Drawable {
public:
    virtual void draw() const = 0;
};

// 派生类 Rectangle
class Rectangle : public Drawable {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a rectangle." << std::endl;
    }
};

// 派生类 Circle
class Circle : public Drawable {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a circle." << std::endl;
    }
};

void drawShapes(const Drawable& shape) {
    shape.draw();
}

int main() {
    Rectangle rectangle;
    Circle circle;

    drawShapes(rectangle);
    drawShapes(circle);

    return 0;
}
  1. 扩展性：通过继承和虚函数，动态多态性提供了一种灵活的方式来扩展代码。当需要添加新的派生类时，只需继承基类并重写虚函数即可，而不需要修改已有的代码。
cpp 复制代码 
#include <iostream>

// 基类 Animal
class Animal {
public:
    virtual void sound() const {
        std::cout << "Animal makes sound." << std::endl;
    }
};

// 派生类 Dog
class Dog : public Animal {
public:
    void sound() const override {
        std::cout << "Dog barks." << std::endl;
    }
};

// 派生类 Cat
class Cat : public Animal {
public:
    void sound() const override {
        std::cout << "Cat meows." << std::endl;
    }
};

// 扩增派生类 Bird
class Bird : public Animal {
public:
    void sound() const override {
        std::cout << "Bird sings." << std::endl;
    }
};

int main() {
    Animal* animal1 = new Dog();
    Animal* animal2 = new Cat();
    Animal* animal3 = new Bird();

    animal1->sound();
    animal2->sound();
    animal3->sound();

    delete animal1;
    delete animal2;
    delete animal3;

    return 0;
}
  • 注意点
  1. 必须使用虚函数：为了实现动态多态性，必须在基类中将需要在派生类中重写的函数声明为虚函数。
  2. 析构函数必须为虚函数：如果在基类中使用了虚函数，那么基类的析构函数也必须声明为虚函数。这是为了确保在使用基类指针删除派生类对象时，能够正确调用派生类的析构函数，避免内存泄漏。
  3. 注意对象切片问题：当将派生类对象赋值给基类对象时，会发生对象切片（Object Slicing）问题。这意味着只会复制基类部分的成员变量和函数，派生类特有的成员将被截断。为了避免对象切片问题，通常需要使用基类的指针或引用来操作派生类对象。
  4. 避免在析构函数中调用虚函数：在基类的析构函数中调用虚函数可能导致意外行为，因为在析构函数期间，派生类的部分可能还未初始化或已被销毁。因此，应该避免在构造函数和析构函数中调用虚函数，或者使用非虚函数或静态函数来完成相应的操作。
  5. 注意函数重载与函数重写：函数重载是在同一个类中定义了多个同名函数，它们的参数列表不同。而函数重写是在派生类中重写了基类的虚函数，函数名、参数列表和返回类型都必须相同。在使用基类指针或引用调用函数时，会根据对象的实际类型选择适当的函数，因此要确保在派生类中正确重写基类的虚函数。

4. 虚函数

C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制 ， 有了虚函数就可以在父类的指针或者引用指向子类的实例的前提下，然后通过父类的指针或者引用调用实际子类的成员函数。这时父类的指针或引用具备了多种形态。定义虚函数：在函数声明前，加上 virtual 关键字即可。 在父类的函数上添加 virtual 关键字，可使子类的同名函数也变成虚函数。

如果基类指针指向的是一个基类对象，则基类的虚函数被调用 ，如果基类指针指向的是一个派生类对象，则派生类的虚函数被调用。

  • 特点
  1. 多态性（Polymorphism）：通过使用虚函数，可以实现运行时多态性。当基类指针或引用指向派生类对象时，调用虚函数会根据实际对象类型来确定要执行的具体函数。
  2. 动态绑定（Dynamic Binding）：由于虚函数的动态绑定机制，在运行时才确定要调用哪个版本的虚函数。这使得程序能够根据对象类型动态地选择正确的成员函数。
  3. 虚函数表（Virtual function table）：为了实现虚函数的多态性，编译器会在每个含有虚函数的类中创建一个虚函数表（vtable），该表存储了虚函数的地址。基类和派生类都有各自的虚函数表，虚函数的绑定是通过查找虚函数表来实现的。

4.1 工作原理

通常情况下，编译器处理虚函数的方法是： 给每一个对象添加一个隐藏指针成员，它指向一个数组，数组里面存放着对象中所有函数的地址。这个数组称之为虚函数表（virtual function table v-table）。表中存储着类对象的虚函数地址。

父类对象包含的指针，指向父类的虚函数表地址，子类对象包含的指针，指向子类的虚函数表地址。

如果子类重新定义了父类的函数，那么函数表中存放的是新的地址，如果子类没有重新定义，那么表中存放的是父类的函数地址。

若子类有自己虚函数，则只需要添加到表中即可。

4.2 构造函数可以是虚函数吗?

构造函数不能为虚函数 , 因为虚函数的调用，需要虚函数表(指针)，而该指针存在于对象开辟的空间中，而对象的空间开辟依赖构造函数的执行，这就矛盾了。

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;

class father{
public:
    // virtual father(){}   Constructor cannot be declared 'virtual'
    father(){
        cout << "父类的构造..." <<endl;
    }
};

class son : public father{
public:
    son(){
        cout << "子类的构造..." <<endl;
    }
};

int main() {

    son s;
    
    return 0;
}

4.3 析构函数可以是虚函数吗?

在继承体系下， 如果父类的指针可以指向子类对象，这就导致在使用 delete 释放内存时，却是通过父类指针来释放，这会导致父类的析构函数会被执行，而子类的析构函数并不会执行，此举有可能导致程序结果并不是我们想要的。究其原因，是因为静态联编的缘故，在编译时，就知道要执行谁的析构函数。
为了解决这个问题，需要把父类的析构函数变成虚拟析构函数，也就是加上 virtual的定义。一旦父类的析构函数是虚函数，那么子类的析构函数也将自动变成虚函数。

一句话概括： 继承关系下，所有人的构造都不能是虚函数，并且所有人的析构函数都必须是虚函数。

只要在父亲的析构函数加上 virtual ，那么所有的析构函数都变成 虚函数

cpp 复制代码 
using namespace std;

class father{
public:
    father(){
        cout << "父类的构造..." <<endl;
    }

    virtual ~father(){
        cout << "父类的析构..." <<endl;
    }
};

class son : public father{
public:
    son(){
        cout << "子类的构造..." <<endl;
    }
    ~son(){
        cout << "子类的析构..." <<endl;
    }
};

int main() {

    father * f = new son ();
    delete f;

    return 0;
}

5. 纯虚函数

纯虚函数是一种特殊的虚函数，C++中包含纯虚函数的类，被称为是"抽象类"。抽象类不能使用new出对象，只有实现了这个纯虚函数的子类才能new出对象。C++中的纯虚函数更像是"只提供声明，没有实现"，是对子类的约束。
纯虚函数就是没有函数体，同时在定义的时候，其函数名后面要加上"= 0" 。

代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>

using namespace std;


class Animal{
public:
    // 动物类的吃的行为，看起来更像是对子类的一种抽象，或者是看起来像是一个功能的声明。
    virtual void eat() = 0 ;

    /*virtual void eat(){
        cout << "动物在吃..." <<endl;
    }*/
};

class Bear : public Animal{
public:
    void eat(){
        cout << "熊吃鱼..." <<endl;
    }
};

class Tiger : public Animal{
public:
    void eat(){
        cout << "老虎吃肉..." <<endl;
    }
};

class Pangolin : public Animal{
public:
    void eat(){
        cout << "穿山甲吃蚂蚁..." <<endl;
    }
};

class Suckler : public Animal{};


int main() {

    //Animal S = new Suckler;  报错， Allocating an object of abstract class type 'Suckler'

    Animal * B = new Bear;
    B->eat();

    Animal * T = new Tiger;
    T->eat();

    Animal * P = new Pangolin;
    P->eat();


    return 0;
}
  • 注意点：
  1. 纯虚函数，一般会出现在父类里面,它看起来就像是一种功能的声明而已，没有具体的实现，因为每一个子类，具体功能都不太一样。
  2. 如果一个类含有纯虚函数，那么该类即可称之为： 抽象类。
  3. 抽象类禁止创建对象。因为如果能创建对象，万一调用了纯虚函数，这就有混乱了。
  4. 子类继承了抽象类之后，必须实现纯虚函数，如果不实现，那么子类也变成了抽象类。比如上面的 Suckler 类
  5. 抽象类里面，能写普通函数，虽然抽象类不能创建对象，不能调用方法，但是子类可以创建对象，可以让子类调用方法。
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