C++多态

waves浪游2025-10-05 15:48

文章目录

    • [1. 多态的概念](#1. 多态的概念)
    • [2. 多态的定义及实现](#2. 多态的定义及实现)
      • [2.1 多态的构成条件](#2.1 多态的构成条件)
      • [2.2 虚函数](#2.2 虚函数)
      • [2.3 虚函数的重写](#2.3 虚函数的重写)
      • [2.4 C++11 override 和 final](#2.4 C++11 override 和 final)
      • [2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比](#2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比)
    • [3. 抽象类](#3. 抽象类)
    • [4. 多态的原理](#4. 多态的原理)

1. 多态的概念

多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

举个栗子：比如买票这个行为，当普通人买票时，是全价买票；学生买票时，是半价买票；军人买票时是优先买票。

2. 多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

多态是在不同继承关系的类对象，去调用同一函数，产生了不同的行为。比如Student继承了Person。Person对象买票全价，Student对象买票半价。

那么在继承中要构成多态还有两个条件：

  1. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
  2. 被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对基类的虚函数进行重写

2.2 虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

2.3 虚函数的重写

虚函数的重写(覆盖)：派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数(即派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。

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

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

class Student : public Person
{
public:
	// 重写/覆盖
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-半价" << endl;
	}
};

class Soldier : public Person
{
public:
	// 重写/覆盖
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-优先" << endl;
	}
};

// 多态条件：
// 1、虚函数重写
// 2、父类指针或者引用调用虚函数
void Func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}

int main()
{
	Person p;
	Student st;
	Soldier so;

	//Func(p);
	Func(st);
	Func(so);

	// 隐藏
	//st.BuyTicket();
	//st.Person::BuyTicket();

	return 0;
}

注： 在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性)，但是该种写法不是很规范，不建议这样使用。

虚函数重写的两个例外：

  1. 协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)
    派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时，称为协变。（了解）
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

class A
{};

class B : public A
{};

class Person
{
public:
	virtual A* BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
		return 0;
	}
};

class Student : public Person
{
public:
	// 重写/覆盖
	virtual B* BuyTicket()
	{
		cout << "买票-半价" << endl;
		return 0;
	}
};

class Soldier : public Person
{
public:
	// 重写/覆盖
	virtual B* BuyTicket()
	{
		cout << "买票-优先" << endl;
		return 0;
	}
};

// 多态条件：
// 1、虚函数重写
// 2、父类指针或者引用调用虚函数
void Func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}

int main()
{
	Person p;
	Student st;
	Soldier so;

	//Func(p);
	Func(st);
	Func(so);

	// 隐藏
	//st.BuyTicket();
	//st.Person::BuyTicket();

	return 0;
}
  1. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)
    如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字，都与基类的析构函数构成重写，虽然基类与派生类析构函数名字不同。虽然函数名不相同，看起来违背了重写的规则，其实不然，这里可以理解为编译器对析构函数的名称做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处理成destructor。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

class Person
{
public:
	virtual ~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
	}
};

class Student : public Person
{
public:
	~Student()
	{
		delete _ptr;
		cout << "~Student():" << _ptr << endl;
	}

protected:
	int* _ptr = new int[10];
};

int main()
{
	//Student st;
	
	Person* p1 = new Student;

	// 实现多态，就正常了
	// p1->destructor() + operator delete(p1)
	delete p1;

	Person* p2 = new Person;
	delete p2;

	return 0;
}

2.4 C++11 override 和 final

从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重写，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此：C++11提供了override和final两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

  1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写
cpp 复制代码 
// 会报错

#include <iostream>
using namespace std;

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

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

如果有一个类不想被别人继承，可以这样写：

cpp 复制代码 
//两种写法都会报错

//class A final
class A
{
private:
	A()
	{}
};

class B : public A
{};

int main()
{
	B bb;

	return 0;
}

构造函数私有，外面可以这样去创建对象：

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	static A CreateObj()
	{
		return A();
	}

private:
	A()
	{}
};

int main()
{
	A::CreateObj();

	return 0;
}
  1. override: 检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写编译报错。
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

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

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

2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

3. 抽象类

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

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

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

	//virtual void func() = 0;
};

class BMW : public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "BMW-操控" << endl;
	}
};

int main()
{
	Benz bz;

	return 0;
}

一个题目：

构成多态时，如果调子类函数是调的父类的接口 + 子类的实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>

class A
{
public:
	virtual void func(int val = 1)
	{
		std::cout << "A->" << val << std::endl;
	}

	virtual void test()
	{
		func();
	}
};

class B : public A
{
private:
	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;
}

B类中的func改成private，结果也是一样的，原因同上。

cpp 复制代码 
#include <iostream>

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)
	{
		std::cout << "B->" << val << std::endl;
	}
};

int main(int argc, char* argv[])
{
	B* p = new B;
	p->test();
	
	return 0;
}

B类中func的参数不加缺省值，结果也是一样的，原因同上。

cpp 复制代码 
#include <iostream>

class A
{
public:
	virtual void func(int val = 1)
	{
		std::cout << "A->" << val << std::endl;
	}

	virtual void test()
	{
		func();
	}
};

class B : public A
{
private:
	void func(int val)
	{
		std::cout << "B->" << val << std::endl;
	}
};

int main(int argc, char* argv[])
{
	A* p = new B;
	p->func();
	
	return 0;
}

结果也是一样的，原因同上。

cpp 复制代码 
#include <iostream>

class A
{
private:
	virtual void func(int val = 1)
	{
		std::cout << "A->" << val << std::endl;
	}

public:
	virtual void test()
	{
		func();
	}
};

class B : public A
{
public:
	void func(int val)
	{
		std::cout << "B->" << val << std::endl;
	}
};

int main(int argc, char* argv[])
{
	A* p = new B;
	p->func();
	
	return 0;
}

这样写会报错。

再举个能用到多态的例子：

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

class Animal
{
public:
	virtual void sound() const = 0;
};

class Cat : public Animal
{
public:
	virtual void sound() const
	{
		cout << "喵喵" << endl;
	}
};

class Dog : public Animal
{
public:
	virtual void sound() const
	{
		cout << "汪汪" << endl;
	}
};

void AnimalSound(const Animal& anm)
{
	anm.sound();
}

int main()
{
	AnimalSound(Cat());
	AnimalSound(Dog());

	return 0;
}

4. 多态的原理

cpp 复制代码 
// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？
class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}

private:
	int _b = 1;
};

通过观察测试我们发现b对象是8bytes，除了_b成员，还多一个__vfptr放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f代表function)。一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

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

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base::Func1()" << endl;
	}

	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base::Func2()" << endl;
	}

	void Func3()
	{
		cout << "Base::Func3()" << endl;
	}

private:
	int _b = 1;
};

int main()
{
	const char* str = "11111111";
	cout << str << endl;

	Base b;

	printf("%p\n", str);
	printf("%p\n", &Base::Func1);
	printf("%p\n", &Base::Func2);
	printf("%p\n", &Base::Func3);

	int a = 0;
	printf("%p\n", &a);

	return 0;
}
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base::Func1()" << endl;
	}

	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base::Func2()" << endl;
	}

	void Func3()
	{
		cout << "Base::Func3()" << endl;
	}

private:
	int _b = 1;
};

class Derive : public Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}

private:
	int _d = 2;
};

void Func1(Base* p)
{
	// 运行时绑定/动态绑定
	p->Func1();

	// 编译时绑定/静态绑定
	p->Func3();
}

int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	Func1(&b);
	Func1(&d);

	return 0;
}


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

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base::Func1()" << endl;
	}

	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base::Func2()" << endl;
	}

	void Func3()
	{
		cout << "Base::Func3()" << endl;
	}

private:
	int _b = 1;
};

class Derive : public Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}

private:
	int _d = 2;
};

int main()
{
	int i = 0;
	static int j = 1;
	int* p1 = new int;
	const char* p2 = "xxxxxxxx";
	printf("栈:%p\n", &i);
	printf("静态区:%p\n", &j);
	printf("堆:%p\n", p1);
	printf("常量区:%p\n", p2);

	Base b;
	Derive d;

	// int/double/char
	// int和int*  指针之间
	printf("Base虚表地址:%p\n", *((int*)&b));
	printf("Derive虚表地址:%p\n", *((int*)&d));
	printf("Base对象地址:%p\n", &b);
	printf("Derive对象地址:%p\n", &d);

	Base b1;
	Base b2;
	Base b3;

	return 0;
}
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int i = 0;
	double d = 1.1;

	cout << i;
	cout << d;

	int a = 1, b = 2;
	char x = 'x', y = 'y';
	swap(a, b);
	swap(x, y);

	return 0;
}

通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：

  1. 派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，虚表指针也就是存在这一部分的，另一部分是自己的成员。
  2. 基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，这里我们发现Func1完成了重写，所以d的虚表中存的是重写的Derive::Func1，所以虚函数的重写也叫作覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。
  3. 另外Func2继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，Func3也继承下来了，但是不是虚函数，所以不会放进虚表。
  4. 虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况这个数组最后面放了一个nullptr。
  5. 总结一下派生类的虚表生成：a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中 b.如果派生类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数 c.派生类自己新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。
  6. 这里还有一个很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？注意虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。那么虚表存在哪的呢？实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的。

一个题目：

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