C++？多態！！！

一、引言

? ? ? ? 眾所周知，C++有三大特性，它們分別是封裝、繼承和多態，在之前的文章中已經詳細介紹過封裝和繼承了，今天我們將一起學習多態相關的知識，如果還想了解封裝、繼承相關的知識，可以跳轉到以下鏈接：
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????????1、封裝：C++？類和對象（上）！！！-CSDN博客

? ? ? ? 2、繼承：C++？繼承！！！-CSDN博客

二、多態的概念

? ? ? ? 1、概念

? ? ? ? 通俗來講，多態表示多種狀態，即就是說當面對不同類型、不同特點的對象時，處理一個問題時采用不同的方式從而產生不同的效果，這就是多態

? ? ? ? 2、分類

? ? ? ? 事實上，多態細分之下有兩種，它們分別是靜態多態和動態多態，我們常說的多態事實上代指動態多態，也就是我們今天將要主要討論的內容，在詳細了解了多態的相關知識之后我們將再來理解這兩個概念

? ? ? ? 3、從實際的角度認識多態

? ? ? ? 上面我們介紹了多態的概念，這樣我們可以按圖索驥，大概舉幾個日常生活中常見的多態的實際應用：

? ? ? ? ????????(1).打滴滴

? ? ? ? ? ? ? ? 在打滴滴時，新人用戶常常會享受較大的優惠力度，小編記得在我第一次打滴滴時，價格優惠到了4元，那天的路程還挺遠的，如果放在今天可能會在十元往上，這里就用到了多態的相關知識(猜測)，當一個新人用戶和一個老用戶同樣的調用"打車"接口時，卻對應了不同的優惠力度，這正好對應了多態的概念

? ? ? ? ? ? ? ? (2).買票系統

? ? ? ? ? ? ? ? 我們日程生活中會進行各種各樣的買票操作，比如各個景點或者是買回家的車票，不難發現，常見的對象會被平臺分為：普通身份、學生、軍人等

? ? ? ? ? ? ? ? 當這些對象同樣調用買票接口時，普通身份會全家買票，學生是半價買票，軍人常見的則是優先買票，很明顯，不同的對象調用同一接口，產生了不同的效果，對應了多態的概念

? ? ? ? 通過以上兩個常見的概念，我們可以感受到多態的相關知識是存在在我們生活中的方方面面的

三、多態的定義及實現

? ? ? ? 1、虛函數

? ? ? ? 虛函數：即就是被virtual關鍵字修飾的函數：
????????

class Person
{
public:virtual void buy_t(){cout << "全價購票" << endl;}
};

? ? ? ? 2、虛函數的重寫

? ? ? ? 虛函數的重寫：派生類中有一個函數跟基類的虛函數三同(即函數名、函數參數、函數返回值都相同)的函數，那么就稱該派生類重寫(覆蓋)了基類的虛函數，例如：
????????

class Person
{
public:virtual void buy_t(){cout << "全價購票" << endl;}
};
class Student : public Person
{
public:void buy_t(){cout << "半價購票" << endl;}
};

? ? ? ? 以上的情況我們就說Student類重寫了Person類中的buy_t函數

? ? ? ? 但是需要注意的是，虛函數重寫存在以下兩個例外：
? ? ? ? ? ? ? ?

????????????????(1).協變(基類與派生類函數返回值不相同)

? ? ? ? ? ? ? ? 派生類重寫基類虛函數是，與基類函數返回值類型不同，當且僅當一個繼承體系的返回值對應的返回了一個繼承體系(并不限制一定是本地的繼承體系)的指針或引用，這時候仍然構成虛函數重寫，稱為協變(了解即可，不推薦使用)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).析構函數的重寫(基類與派生類析構函數名不相同)

????????????????如果基類的析構函數為虛函數，此時派生類析構函數只要定義，無論是否加virtual關鍵字，都與基類的析構函數構成重寫，雖然基類與派生類析構函數名字不同。雖然函數名不相同，看起來違背了重寫的規則，其實不然，這里可以理解為編譯器對析構函數的名稱做了特殊處理，編譯后析構函數的名稱統一處理成destructor

? ? ? ? ? ? ? ? 所以為什么要這樣特殊處理析構函數，使它可以構成虛函數重寫呢？，我們從下面一個例子來看：
????????????????

class Person {public:virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}};class Student : public Person {public:virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }};// 只有派生類Student的析構函數重寫了Person的析構函數，下面的delete對象調用析構函
數，才能構成多態，才能保證p1和p2指向的對象正確的調用析構函數。
int main(){Person* p1 = new Person;Person* p2 = new Student;
delete p1;delete p2;}return 0;

? ? ? ? ? ? ? ? 上面的代碼中，p1、p2都是Person*的變量，隨后調用delete對這兩個動態申請的空間進行釋放，事實上delete對于自定義類型會調用對應類的析構函數，此時就產生了一個問題：兩個空間都會調用Person的析構函數，這是我們不想看到的，我們希望的是對于p1調用Person的析構函數，而對于p2則是調用Student的析構函數

? ? ? ? ? ? ? ? 這時候我們可以認真的觀察一下我們上面的需求，好像就是使用基類的指針來調用同一個函數，同時我們想讓該調用動作對于不同的對象產生不同的效果，是的，這就是我們前面多態討論過的需求，現在只有一個條件還沒有滿足，就是函數名并不相同，所以我們順理成章的想到要讓編譯器對析構函數名進行特殊處理，這樣在將基類的析構函數寫為虛函數時，自然的就解決了上面的問題

? ? ? ? 3、多態的構成條件

? ? ? ? 多態是在繼承關系中，不同的類對象調用同一函數，產生了不同的行為，比如Student繼承了Person，這時候Person對象全價買票，Student對象半價買票，所以首先的，多態是存在在繼承關系中的

? ? ? ? 在繼承關系中要構成多態還有兩個條件：
? ? ? ? ? ? ? ? (1).必須通過基類的指針或者飲用調用函數

? ? ? ? ? ? ? ? (2).被調用的函數必須是虛函數，同時派生類對基類的虛函數進行重寫

? ? ? ? 下面是構成多態的一個完整例子：

????????

#include <iostream>
using namespace std;
//多態
class Person
{
public:virtual void buy_t(){cout << "全價購票" << endl;}
};
class Student : public Person
{
public:void buy_t(){cout << "半價購票" << endl;}
};
void func(Person& rp)
{rp.buy_t();
}
int main()
{Person p;Student s;func(p);func(s);return 0;
}

? ? ? ? 這一段代碼的運行結果如下：
????????

四、C++11中提供的兩個相關的關鍵字：override和final

? ? ? ? 經過上面的講解，我們發現，C++中構成重寫從而構成多態的過程時非常嚴格的，而在平常的代碼工作中我們很容易會犯一些錯誤，比如：大小寫的問題、字母順序的問題，這些問題產生時是很難發現的，對于這些問題，只是沒有構成重寫，但并沒有編譯、鏈接的錯誤，不會報錯，非常頭疼，所以在C++11中我們提供了override和final兩個關鍵字，它們兩個可以幫助我們檢查這一類問題

? ? ? ? 1、final：該關鍵字有兩個作用

? ? ? ? ? ? ? ? (1).修飾虛函數，被修飾的函數不能被重寫：
????????????????

class Person
{
public:virtual void buy_t  ()final//final修飾了該函數{cout << "全價購票" << endl;}
};
class Student : public Person
{
public:void buy_t()//這個位置會報錯：無法重寫“final”函數 "Person::buy_t"{cout << "半價購票" << endl;}
};

????????????????(2).修飾一個類，被修飾的類不能被繼承??

????????????????

#include <iostream>
using namespace std;
//多態
class Person final//使用final修飾這個類
{
public:virtual void buy_t(){cout << "全價購票" << endl;}
};
class Student : public Person//這個位置會報錯：不能將"final"類類型用作基類
{
public:void buy_t(){cout << "半價購票" << endl;}
};

? ? ? ? 2、override：檢查派生類函數是否重寫了基類某個虛函數，如果沒有就報錯

????????

class Person
{
public:virtual void buy_t(){cout << "全價購票" << endl;}
};
class Student : public Person
{
public:void buy_tx() override//override修飾該函數//該位置報錯：使用override修飾的函數不能重寫基類成員{cout << "半價購票" << endl;}
};

五、對比重載、重寫(覆蓋)、重定義(隱藏)

六、抽象類

? ? ? ? 1、概念

? ? ? ? 在虛函數的函數頭之后加上=0，此時該函數被稱為純虛函數，包含純虛函數的類叫做抽象類(也叫做接口類)，抽象類不能實例化出對象。派生類繼承之后也不能實例化出對象，只有重寫了純虛函數，派生類才能實例化出對象，純虛函數規范了派生類必須重寫，它更能體現出接口繼承

? ? ? ? 下面的代碼體現出了這種接口繼承的思想：
????????

#include <iostream>
using namespace std;
//多態
class Person
{
public:virtual void buy_t() = 0;};
class Student : public Person
{
public:void buy_t(){cout << "半價購票" << endl;}
};
class Teacher :public Person
{
public:void buy_t(){cout << "十倍價錢購票" << endl;}};
void func(Person& rp)
{rp.buy_t();
}
int main()
{Teacher t;Student s;func(t);func(s);return 0;
}

? ? ? ? 下面是以上代碼的執行結果：
????????? ? ? ?

? ? ? ? 2、接口繼承和實現繼承

?????????普通函數的繼承是一種實現繼承，派生類繼承了基類函數，可以使用函數，繼承的是函數的實現。虛函數的繼承是一種接口繼承，派生類繼承的是基類虛函數的接口，目的是為了重寫，達成多態，繼承的是接口。所以如果不實現多態，不要把函數定義成虛函數

七、多態的原理

? ? ? ? 1、虛函數表

? ? ? ? ? ? ? ? (1).引入

// 這里常考一道筆試題：sizeof(Base)是多少？
class Base{public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}private:int _b = 1;};

? ? ? ? ? ? ? ? 我們先通過打印的方式看一下這個問題的結果是多少？

????????????????

? ? ? ? ? ? ? ? (2).解決問題

? ? ? ? ? ? ? ? 可以看到，結果輸出了8(這里要強調一下，小編實在x86的環境下輸出的，環境或者平臺改變可能會影響結果)，這是為什么呢？或許含有虛函數的類對象進行了一些特殊處理？接下來我們通過調試的方法來看一下該類對象模型是怎樣的：

????????????????

? ? ? ? ? ? ? ? 經過上面的調試窗口我們知道，原來在Base類中除了_b成員，還多一個__vfptr放在對象的前面(注意有些平臺可能會放到對象的最后面，這個跟平臺有關)，對象中的這個指針我們叫做虛函數表指針(v代表virtual，f代表function)。一個含有虛函數的類中都至少都有一個虛函數表指針，因為虛函數的地址要被放到虛函數表中，虛函數表也簡稱虛表，那么派生類中這個表放了些什么呢？我們接著往下分析

? ? ? ? ? ? ? ? 為了符合多態的情景，我們先對上面的代碼做出以下改造：
????????????????

// 針對上面的代碼我們做出以下改造
// 1.我們增加一個派生類Derive去繼承Base// 2.Derive中重寫Func1// 3.Base再增加一個虛函數Func2和一個普通函數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;}

? ? ? ? ? ? ? ? 接下來我們一起觀察這個加強版繼承體系的類對象模型，從而說明派生類中的虛表有什么不同？

????????????????

? ? ? ? ? ? ? ? 可以觀察到：繼承之后的d對象模型中分為兩個部分，分別是Base部分和自己的成員，而在Base部分中也有一個_vfptr指針，這意味著d不會生成自己的虛表指針，而是以繼承的形式沿用了Base類的指針，而兩個指針指向的位置是不同的，這就是說兩個類的虛表是不同的，事實上的確是這樣的，派生類會首先繼承基類的虛表，然后對于重寫過的函數將新的函數指針覆蓋原本的函數指針，形成了屬于自己的虛表