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C++？多态！！！

news 来源：原创 2025/6/1 11:46:14

一、引言

众所周知，C++有三大特性，它们分别是封装、继承和多态，在之前的文章中已经详细介绍过封装和继承了，今天我们将一起学习多态相关的知识，如果还想了解封装、继承相关的知识，可以跳转到以下链接：

1、封装：C++？类和对象（上）！！！-CSDN博客

2、继承：C++？继承！！！-CSDN博客

二、多态的概念

1、概念

通俗来讲，多态表示多种状态，即就是说当面对不同类型、不同特点的对象时，处理一个问题时采用不同的方式从而产生不同的效果，这就是多态

2、分类

事实上，多态细分之下有两种，它们分别是静态多态和动态多态，我们常说的多态事实上代指动态多态，也就是我们今天将要主要讨论的内容，在详细了解了多态的相关知识之后我们将再来理解这两个概念

3、从实际的角度认识多态

上面我们介绍了多态的概念，这样我们可以按图索骥，大概举几个日常生活中常见的多态的实际应用：

(1).打滴滴

在打滴滴时，新人用户常常会享受较大的优惠力度，小编记得在我第一次打滴滴时，价格优惠到了4元，那天的路程还挺远的，如果放在今天可能会在十元往上，这里就用到了多态的相关知识(猜测)，当一个新人用户和一个老用户同样的调用"打车"接口时，却对应了不同的优惠力度，这正好对应了多态的概念

(2).买票系统

我们日程生活中会进行各种各样的买票操作，比如各个景点或者是买回家的车票，不难发现，常见的对象会被平台分为：普通身份、学生、军人等

当这些对象同样调用买票接口时，普通身份会全家买票，学生是半价买票，军人常见的则是优先买票，很明显，不同的对象调用同一接口，产生了不同的效果，对应了多态的概念

通过以上两个常见的概念，我们可以感受到多态的相关知识是存在在我们生活中的方方面面的

三、多态的定义及实现

1、虚函数

虚函数：即就是被virtual关键字修饰的函数：

class Person
{
public:virtual void buy_t(){cout << "全价购票" << endl;}
};

2、虚函数的重写

虚函数的重写：派生类中有一个函数跟基类的虚函数三同(即函数名、函数参数、函数返回值都相同)的函数，那么就称该派生类重写(覆盖)了基类的虚函数，例如：

class Person
{
public:virtual void buy_t(){cout << "全价购票" << endl;}
};
class Student : public Person
{
public:void buy_t(){cout << "半价购票" << endl;}
};

以上的情况我们就说Student类重写了Person类中的buy_t函数

但是需要注意的是，虚函数重写存在以下两个例外：

(1).协变(基类与派生类函数返回值不相同)

派生类重写基类虚函数是，与基类函数返回值类型不同，当且仅当一个继承体系的返回值对应的返回了一个继承体系(并不限制一定是本地的继承体系)的指针或引用，这时候仍然构成虚函数重写，称为协变(了解即可，不推荐使用)例如：

class A{};class B : public A {};class Person {public:virtual A* f() {return new A;}};class Student : public Person {public:virtual B* f() {return new B;}};

(2).析构函数的重写(基类与派生类析构函数名不相同)

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

所以为什么要这样特殊处理析构函数，使它可以构成虚函数重写呢？，我们从下面一个例子来看：

class Person {public:virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}};class Student : public Person {public:virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }};// 只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下面的delete对象调用析构函
数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调用析构函数。
int main(){Person* p1 = new Person;Person* p2 = new Student;
delete p1;delete p2;}return 0;

上面的代码中，p1、p2都是Person*的变量，随后调用delete对这两个动态申请的空间进行释放，事实上delete对于自定义类型会调用对应类的析构函数，此时就产生了一个问题：两个空间都会调用Person的析构函数，这是我们不想看到的，我们希望的是对于p1调用Person的析构函数，而对于p2则是调用Student的析构函数

这时候我们可以认真的观察一下我们上面的需求，好像就是使用基类的指针来调用同一个函数，同时我们想让该调用动作对于不同的对象产生不同的效果，是的，这就是我们前面多态讨论过的需求，现在只有一个条件还没有满足，就是函数名并不相同，所以我们顺理成章的想到要让编译器对析构函数名进行特殊处理，这样在将基类的析构函数写为虚函数时，自然的就解决了上面的问题

3、多态的构成条件

多态是在继承关系中，不同的类对象调用同一函数，产生了不同的行为，比如Student继承了Person，这时候Person对象全价买票，Student对象半价买票，所以首先的，多态是存在在继承关系中的

在继承关系中要构成多态还有两个条件：
(1).必须通过基类的指针或者饮用调用函数

(2).被调用的函数必须是虚函数，同时派生类对基类的虚函数进行重写

下面是构成多态的一个完整例子：

#include <iostream>
using namespace std;
//多态
class Person
{
public:virtual void buy_t(){cout << "全价购票" << endl;}
};
class Student : public Person
{
public:void buy_t(){cout << "半价购票" << endl;}
};
void func(Person& rp)
{rp.buy_t();
}
int main()
{Person p;Student s;func(p);func(s);return 0;
}

这一段代码的运行结果如下：

四、C++11中提供的两个相关的关键字：override和final

经过上面的讲解，我们发现，C++中构成重写从而构成多态的过程时非常严格的，而在平常的代码工作中我们很容易会犯一些错误，比如：大小写的问题、字母顺序的问题，这些问题产生时是很难发现的，对于这些问题，只是没有构成重写，但并没有编译、链接的错误，不会报错，非常头疼，所以在C++11中我们提供了override和final两个关键字，它们两个可以帮助我们检查这一类问题

1、final：该关键字有两个作用

(1).修饰虚函数，被修饰的函数不能被重写：

class Person
{
public:virtual void buy_t  ()final//final修饰了该函数{cout << "全价购票" << endl;}
};
class Student : public Person
{
public:void buy_t()//这个位置会报错：无法重写“final”函数 "Person::buy_t"{cout << "半价购票" << endl;}
};

(2).修饰一个类，被修饰的类不能被继承

#include <iostream>
using namespace std;
//多态
class Person final//使用final修饰这个类
{
public:virtual void buy_t(){cout << "全价购票" << endl;}
};
class Student : public Person//这个位置会报错：不能将"final"类类型用作基类
{
public:void buy_t(){cout << "半价购票" << endl;}
};

2、override：检查派生类函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有就报错

class Person
{
public:virtual void buy_t(){cout << "全价购票" << endl;}
};
class Student : public Person
{
public:void buy_tx() override//override修饰该函数//该位置报错：使用override修饰的函数不能重写基类成员{cout << "半价购票" << endl;}
};

五、对比重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)

六、抽象类

1、概念

在虚函数的函数头之后加上=0，此时该函数被称为纯虚函数，包含纯虚函数的类叫做抽象类(也叫做接口类)，抽象类不能实例化出对象。派生类继承之后也不能实例化出对象，只有重写了纯虚函数，派生类才能实例化出对象，纯虚函数规范了派生类必须重写，它更能体现出接口继承

下面的代码体现出了这种接口继承的思想：

#include <iostream>
using namespace std;
//多态
class Person
{
public:virtual void buy_t() = 0;};
class Student : public Person
{
public:void buy_t(){cout << "半价购票" << endl;}
};
class Teacher :public Person
{
public:void buy_t(){cout << "十倍价钱购票" << endl;}};
void func(Person& rp)
{rp.buy_t();
}
int main()
{Teacher t;Student s;func(t);func(s);return 0;
}

下面是以上代码的执行结果：

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

七、多态的原理

1、虚函数表

(1).引入

// 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;};

我们先通过打印的方式看一下这个问题的结果是多少？

(2).解决问题

可以看到，结果输出了8(这里要强调一下，小编实在x86的环境下输出的，环境或者平台改变可能会影响结果)，这是为什么呢？或许含有虚函数的类对象进行了一些特殊处理？接下来我们通过调试的方法来看一下该类对象模型是怎样的：

经过上面的调试窗口我们知道，原来在Base类中除了_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，那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析

为了符合多态的情景，我们先对上面的代码做出以下改造：

// 针对上面的代码我们做出以下改造
// 1.我们增加一个派生类Derive去继承Base// 2.Derive中重写Func1// 3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3class 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(){Base b;Derive d;return 0;}

接下来我们一起观察这个加强版继承体系的类对象模型，从而说明派生类中的虚表有什么不同？

可以观察到：继承之后的d对象模型中分为两个部分，分别是Base部分和自己的成员，而在Base部分中也有一个_vfptr指针，这意味着d不会生成自己的虚表指针，而是以继承的形式沿用了Base类的指针，而两个指针指向的位置是不同的，这就是说两个类的虚表是不同的，事实上的确是这样的，派生类会首先继承基类的虚表，然后对于重写过的函数将新的函数指针覆盖原本的函数指针，形成了属于自己的虚表