【C++】C++中的虚函数和多态的定义与使用

秋风&萧瑟2025-06-24 15:10

C++中的虚函数和多态

1.引入多态

多态：同一个方法在父类和子类中具备不同的表现形式，传递不同子类可以使用不同子类的同名方法--》叫做多态
字面上理解就是多种表现形式，

比如： Animal Cat Dog Sheep 都有eat()，但是eat方法具备了多种表现形式
C++允许父类的指针或者引用指向不同的子类对象，传递实参的时候，传递不同子类对象，到时候可以调用不同子类里面的同名方法 ---》多态

示例代码：引入多态

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

/*
    引入多态：
        面向对象三大思想：类封装，继承和派生，多态
    封装一个函数，要求该函数可以展示各种动物吃什么？
    
*/
class Animal
{
public:
    void eat()  
    {
        cout<<"动物吃"<<endl;
    }
};

class Cat:public Animal
{
public:
    void eat()
    {
        cout<<"猫吃鱼"<<endl;
    }
};

class Dog:public Animal
{
public:
    void eat()
    {
        cout<<"狗吃骨头"<<endl;
    }   
};

class Sheep:public Animal
{
public:
    void eat()
    {
        cout<<"羊吃草"<<endl;
    }   
};

// 封装一个函数，要求该函数可以展示各种动物吃什么？
/*
    思考1：需要参数，参数要具有通用性(可以兼容所有的动物)
    答案：C++规定，有了继承之后，父类的指针或者父类的引用可以直接指向不同的子类对象(不需要使用任何强转类型转换)
          父类 *p=&子类
          父类 &b=子类
    思考2：我们希望传递不同的子类对象，可以调用不同子类里面的同名eat方法
    答案：必须使用虚函数才能解决，此时无法解决
*/
//void showAnimalEat(Animal &other) //只要是Animal的子类都可以兼容
void showAnimalEat(Animal *other)   //只要是Animal的子类都可以兼容 
{
    //调用各个动物里面的eat方法
    other->eat();
}

int main(int argc,char **argv)
{
    // 定义各种动物对象
    Cat c1;
    Dog d1;
    Sheep s1;

    Animal a1;
    Animal &p = c1;
    /* 当方法不是虚函数时，编译器根据 指针/引用的声明类型（而不是实际对象类型）
     决定调用哪个方法 这里 p 是 Animal& 类型（基类引用），因此 p.eat() 始终调用 
    Animal::eat()*/
    p.eat();    

    //showAnimalEat(c1);
    //showAnimalEat(d1);
    //showAnimalEat(s1);
    
    showAnimalEat(&c1);
    showAnimalEat(&d1);
    showAnimalEat(&s1);
    return 0;   
}

/*
执行结果：
    动物吃
    动物吃
    动物吃
    动物吃
 */

2.实现多态---虚函数实现

虚函数是为了多态而生的

示例代码：虚函数实现
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

/*
    引入多态：
        面向对象三大思想：类封装，继承和派生，多态
    封装一个函数，要求该函数可以展示各种动物吃什么？
    
*/
class Animal
{
public:
	// 在基类函数中添加virtual关键字
    virtual void eat()
    {
        cout<<"动物吃"<<endl;
    }
};

class Cat:public Animal
{
public:
    void eat()
    {
        cout<<"猫吃鱼"<<endl;
    }
};

class Dog:public Animal
{
public:
    void eat()
    {
        cout<<"狗吃骨头"<<endl;
    }   
};

class Sheep:public Animal
{
public:
    void eat()
    {
        cout<<"羊吃草"<<endl;
    }   
};

// 封装一个函数，要求该函数可以展示各种动物吃什么？
/*
    思考1：需要参数，参数要具有通用性(可以兼容所有的动物)
    答案：C++规定，有了继承之后，父类的指针或者父类的引用可以直接指向不同的子类对象(不需要使用任何强转类型转换)
          父类 *p=&子类
          父类 &b=子类
    思考2：我们希望传递不同的子类对象，可以调用不同子类里面的同名eat方法
    答案：必须使用虚函数才能解决，此时无法解决
*/
//void showAnimalEat(Animal &other) //只要是Animal的子类都可以兼容
void showAnimalEat(Animal *other)   //只要是Animal的子类都可以兼容 
{
    //调用各个动物里面的eat方法
    other->eat();
}

int main(int argc,char **argv)
{
    // 定义各种动物对象
    Cat c1;
    Dog d1;
    Sheep s1;

    Animal a1;
    Animal &p = c1;
    // 定义基类为虚函数后调用的是子类的方法
    p.eat();    

    //showAnimalEat(c1);
    //showAnimalEat(d1);
    //showAnimalEat(s1);
    
    showAnimalEat(&c1);
    showAnimalEat(&d1);
    showAnimalEat(&s1);
    return 0;   
}

/*
执行结果：
    猫吃鱼
    猫吃鱼
    狗吃骨头
    羊吃草
 */

2.1 语法规则：

cpp 复制代码 
virtual  返回值  函数名(参数)
{

}

3.多态的特点和要求

  • 必须要有继承，没有继承，就没有多态(父类的指针/引用可以指向不同的子类对象)
  • 子类必须要重写父类的同名方法
  • 父类的同名方法必须定义成虚函数

注意：父类的同名方法定义成了虚函数，所有子类中同名的方法全部都默认是虚函数(子类加不加virtual都行)

4.多态(虚函数)的底层原理

  • 虚函数表(虚表)：C++中专门用来存放虚函数地址的一种数据结构(本质是个存放函数地址的数组)
  • 一个类只要定义了虚函数，该类所有的对象中会新增一个指针，该指针用来指向虚函数表(虚表)的首地址
  • 一个类中定义了虚函数，那么这个类以及它派生出来的子类都会有各自独立的虚函数表
  • 父类的指针或者父类的引用去调用方法的时候，其实就是去查询虚函数表
示例代码：一个类只要定义了虚函数，该类所有的对象中会新增一个指针，该指针用来指向虚函数表(虚表)的首地址
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

/*
    一个类只要定义了虚函数，该类所有的对象中会新增一个指针，
    该指针用来指向虚函数表(虚表)的首地址
    
*/
class Animal
{
public:
    virtual void eat()
    {
        cout<<"动物吃"<<endl;
    }
};

class Cat:public Animal
{
public:
    void eat()
    {
        cout<<"猫吃鱼"<<endl;
    }
};

class Dog:public Animal
{
public:
    void eat()
    {
        cout<<"狗吃骨头"<<endl;
    }   
};

class Sheep:public Animal
{
public:
    void eat()
    {
        cout<<"羊吃草"<<endl;
    }   
};

int main(int argc,char **argv)
{
    cout<<"sizeof(Animal):"<<sizeof(Animal)<<endl;
    cout<<"sizeof(Cat):"<<sizeof(Cat)<<endl;
    cout<<"sizeof(Dog):"<<sizeof(Dog)<<endl;
    cout<<"sizeof(Sheep):"<<sizeof(Sheep)<<endl;

    return 0;   
}

/*
执行结果：
    sizeof(Animal):8
    sizeof(Cat):8
    sizeof(Dog):8
    sizeof(Sheep):8
 */
示例代码：证明子类重写了父类的虚函数，父类的虚函数会被替换
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

/*
    引入多态：
        面向对象三大思想：类封装，继承和派生，多态
    封装一个函数，要求该函数可以展示各种动物吃什么？
    
*/
class Animal
{
public:
    virtual void eat()
    {
        cout<<"动物吃"<<endl;
    }
};

class Cat:public Animal
{
public:
    // 如果子类重写了父类的虚函数，父类的虚函数会被替换
    void eat()
    {
        cout<<"===子类调用父类的虚函数方法====="<<endl;
        Animal::eat();  //调用父类的虚函数方法
        cout<<"===子类调用父类的虚函数方法====="<<endl;

        cout<<"子类-->猫吃鱼"<<endl;
    }
};

class Dog:public Animal
{
public:
    // 如果子类不重写父类的虚函数，父类的虚函数会被保留
    // void eat()
    // {
    //  cout<<"狗吃骨头"<<endl;
    // }    
};

class Sheep:public Animal
{
public:
    // 如果子类不重写父类的虚函数，父类的虚函数会被保留
    // void eat()
    // {
    //  cout<<"羊吃草"<<endl;
    // }    
};

// 封装一个函数，要求该函数可以展示各种动物吃什么？
/*
    思考1：需要参数，参数要具有通用性(可以兼容所有的动物)
    答案：C++规定，有了继承之后，父类的指针或者父类的引用可以直接指向不同的子类对象(不需要使用任何强转类型转换)
          父类 *p=&子类
          父类 &b=子类
    思考2：我们希望传递不同的子类对象，可以调用不同子类里面的同名eat方法
    答案：必须使用虚函数才能解决，此时无法解决
*/
//void showAnimalEat(Animal &other) //只要是Animal的子类都可以兼容
void showAnimalEat(Animal *other)   //只要是Animal的子类都可以兼容 
{
    //调用各个动物里面的eat方法
    other->eat();
}

int main(int argc,char **argv)
{
    // 定义各种动物对象
    Cat c1;
    Dog d1;
    Sheep s1;

    Animal a1;
    Animal &p = c1;
    
    p.eat();    // ----》Animal &p = c1;调用的是子类的eat方法

    //showAnimalEat(c1);
    //showAnimalEat(d1);
    //showAnimalEat(s1);
    
    showAnimalEat(&c1);		// 调用的是子类的eat方法
    showAnimalEat(&d1);   	// ----》调用的是父类的eat方法
    showAnimalEat(&s1);		// 调用的是子类的eat方法
    return 0;   
}

/*
执行结果：
    ===子类调用父类的虚函数方法=====
    动物吃   
    ===子类调用父类的虚函数方法=====
    子类-->猫吃鱼
    ===子类调用父类的虚函数方法=====
    动物吃
    ===子类调用父类的虚函数方法=====
    子类-->猫吃鱼
    动物吃
    动物吃
 */

5.小结

C++三大"虚"

  • 第一：虚继承和虚基类
  • 第二：虚函数和多态
  • 第三：纯虚函数和抽象类

6.多态的分类

分为两大类：

  • 编译时多态：指的就是函数重载
  • 运行时多态(动态联编)：指的就是目前学习的这种，父类的指针，引用指向不同的子类对象

练习：

示例代码：基类不是虚函数的情况
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

/*
    规律：
        如果vf不是虚函数
            此时四种情况究竟调用谁的vf，看赋值运算左边的指针类型即可
        如果vf是虚函数
            此时四种情况究竟调用谁的vf，看赋值运算右边的指针类型即可
*/
class B
{
public:
    void vf()
    {
        cout<<"父类B里面的vf函数"<<endl;
    }
};

class D:public B
{
public:
    void vf()
    {
        cout<<"子类D里面的vf函数"<<endl;
    }
};


int main(int argc,char **argv)
{
    //定义父类和子类的对象，指针
    B b;
    B *pb;
    D d;
    D *pd;
    
    //第一组
    pb=&b;      //父类指针指向父类对象
    pb->vf();  
    pb=&d;      //父类指针指向子类对象
    pb->vf();
    
    //第二组
    pd=&d;          //子类指针指向子类对象
    pd->vf();
    pd=(D *)&b;     //子类指针指向父类对象
    pd->vf();
    return 0;    
}

/*  
执行结果：
    父类B里面的vf函数
    父类B里面的vf函数
    子类D里面的vf函数
    子类D里面的vf函数
*/
示例代码：基类是虚函数的情况
cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

/*
    规律：
        如果vf不是虚函数
            此时四种情况究竟调用谁的vf，看赋值运算左边的指针类型即可
        如果vf是虚函数
            此时四种情况究竟调用谁的vf，看赋值运算右边的指针类型即可
*/
class B
{
public:
    virtual void vf()
    {
        cout<<"父类B里面的vf函数"<<endl;
    }
};

class D:public B
{
public:
    void vf()
    {
        cout<<"子类D里面的vf函数"<<endl;
    }
};


int main(int argc,char **argv)
{
    //定义父类和子类的对象，指针
    B b;
    B *pb;
    D d;
    D *pd;

    //第一组
    pb=&b;      //父类指针指向父类对象
    pb->vf();  
    pb=&d;      //父类指针指向子类对象
    pb->vf();
    
    //第二组
    pd=&d;          //子类指针指向子类对象
    pd->vf();
    pd=(D *)&b;     //子类指针指向父类对象
    pd->vf();
 
    return 0;    
}

/*  
执行结果：
    父类B里面的vf函数
    子类D里面的vf函数
    子类D里面的vf函数
    父类B里面的vf函数
*/

7.重载和重写(覆盖)，隐藏的区别

7.1 重写(覆盖,复写) -->是指子类函数覆盖基类函数，子类重新定义了父类的同名方法(虚函数)

要求：

  • 在不同的类中（分别位于子类和父类）
  • 同名同参，同返回值(此时返回值类型不可以不一样，返回值类型不一样编译报错)
  • 基类的函数名前必须有virtual关键字

7.2 重载 -->发生在同一个类的里面

7.3 隐藏 -->子类和父类的函数名相同

  • 如果派生类函数与基类函数同名，但参数不同，无论基类函数前是否有virtual修饰，基类函数被隐藏.
  • 如果派生类函数与基类函数同名，参数也相同(不关心返回值类型)，但是基类函数前无virtual修饰，基类函数被隐藏。

隐藏的具体表现是：

cpp 复制代码 
假设父类是void eat();
子类是void eat(int n);
Cat c;
c.eat();   //编译语法错误,原因是父类同名方法被隐藏了
c.Animal::eat(); //编译正确,父类被隐藏的同名方法只能通过类作用域解析运算符调用
c.eat(666);//编译正确

重写(覆盖,复写)的例子

cpp 复制代码 
class Animal
{
public:
    virtual void eat();
};
class Dog:public Animal
{
public:
    void eat();   //Dog重写(覆盖,复写)了父类Animal的eat方法
};

重载的例子

cpp 复制代码 
class Dog
{
public:
    Dog();
    Dog(int age);  //同一个类中重载了构造了函数
    void setAge();
    void setAge(int age);
}

隐藏的例子1

cpp 复制代码 
class Animal
{
public:
    virtual void eat();
};
class Dog:public Animal
{
public:
    void eat(string);  //父类的eat被隐藏
};

隐藏的例子2

cpp 复制代码 
class Animal
{
public:
    void eat();
};
class Dog:public Animal
{
public:
    void eat(string);  //父类的eat被隐藏
};

隐藏的例子3

cpp 复制代码 
class Animal
{
public:
    void eat();
};
class Dog:public Animal
{
public:
    void eat();  //父类的eat被隐藏
};

8.父类的同名函数是虚函数和普通函数(非虚函数)的区别

8.1 虚函数

虚函数：编译器采用动态联编

动态联编：编译器会严格按照赋值运算右边的类型来调用对应的同名函数

8.2 普通函数(非虚函数)

普通函数(非虚函数)：编译器采用静态联编

静态联编：编译器会严格按照赋值运算左边的类型来调用对应的同名函数

  • 父类eat()函数不是虚函数：
cpp 复制代码 
Animal a;
Cat c;
Animal &r=c; //父类的引用指向子类对象 
r.eat(); // 当父类eat()函数不是虚函数时此时调用父类的eat()

无论是指针还是引用，此时都以左边类型(Animal)为准

  • 父类eat()函数是虚函数：
cpp 复制代码 
Animal a;
Cat c;
Animal &r=c; 
r.eat(); // 父类eat()函数是虚函数,此时调用子类的eat()

无论是指针还是引用，此时都以右边类型(Cat )为准

C++的函数分成两大类

第一类：类的成员函数 ---》通过对象或者类名调用

第二类：非成员函数，普通函数 ---》直接调用

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