前言

在 C++ 的面向對象編程中，繼承和多態是兩個核心概念。今天我們將深入探討 C++ 中與多態密切相關的幾個重要特性：虛函數、virtual 關鍵字、override 關鍵字、多重繼承以及虛繼承。這些內容是理解 C++ 多態機制和復雜類層次結構的關鍵。

虛函數與 virtual 關鍵字

虛函數的基本概念

虛函數是實現運行時多態的基礎。通過虛函數，我們可以在基類中定義一個接口，而在派生類中重寫這個接口，從而在程序運行時根據對象的實際類型調用相應的函數。

virtual 關鍵字的使用

在基類中，使用 virtual 關鍵字聲明一個函數為虛函數。例如：

class Base {
public:virtual void show() {std::cout << "Base class show function" << std::endl;}
};class Derived : public Base {
public:void show() override {  // 重寫虛函數std::cout << "Derived class show function" << std::endl;}
};

在上面的代碼中，Base 類的 show 函數被聲明為虛函數，Derived 類重寫了這個虛函數。當我們通過基類指針或引用調用 show 函數時，會根據對象的實際類型調用相應的函數：

int main() {Base* basePtr = new Derived();basePtr->show();  // 輸出: Derived class show functiondelete basePtr;return 0;
}

虛函數的工作原理

虛函數通過虛函數表（vtable）實現。每個包含虛函數的類都有一個虛函數表，表中存儲了該類所有虛函數的地址。當創建對象時，對象內部會包含一個指向虛函數表的指針（vptr）。在調用虛函數時，程序會根據對象的 vptr 找到對應的虛函數表，然后根據函數在表中的位置調用相應的函數。

override 關鍵字

override 的作用

override 關鍵字是 C++11 引入的，用于明確表示一個函數是重寫基類的虛函數。它的主要作用是：

1. 提高代碼可讀性：讓其他開發者清楚地知道這個函數是重寫基類的虛函數。
2. 防止拼寫錯誤：如果基類中沒有對應的虛函數，編譯器會報錯，避免因拼寫錯誤導致的隱藏而非重寫的問題。

使用示例

class Base {
public:virtual void display() {std::cout << "Base class display function" << std::endl;}
};class Derived : public Base {
public:void display() override {  // 正確重寫std::cout << "Derived class display function" << std::endl;}// void dispaly() override {  // 拼寫錯誤，編譯器會報錯//     std::cout << "Wrong function" << std::endl;// }
};

多重繼承

多重繼承的基本概念

多重繼承是指一個派生類可以同時繼承多個基類。這使得派生類可以擁有多個基類的屬性和方法。例如：

class Base1 {
public:void show1() {std::cout << "Base1 class show1 function" << std::endl;}
};class Base2 {
public:void show2() {std::cout << "Base2 class show2 function" << std::endl;}
};class Derived : public Base1, public Base2 {
public:void showAll() {show1();show2();}
};

在上面的代碼中，Derived 類同時繼承了 Base1 和 Base2 類，因此可以調用 Base1 和 Base2 中的成員函數。

多重繼承的問題

多重繼承雖然提供了更大的靈活性，但也帶來了一些問題：

1. 菱形繼承問題：當多個基類有共同的基類時，派生類中會出現多個共同基類的子對象，導致數據冗余和二義性。
2. 命名沖突：如果多個基類中有同名的成員函數或成員變量，派生類中直接使用會導致二義性。

菱形繼承示例

class Grandparent {
public:int value;
};class Parent1 : public Grandparent {
};class Parent2 : public Grandparent {
};class Child : public Parent1, public Parent2 {
public:void printValue() {// std::cout << value << std::endl;  // 編譯錯誤，二義性std::cout << Parent1::value << std::endl;  // 明確指定std::cout << Parent2::value << std::endl;}
};

在上面的代碼中，Child 類同時繼承了 Parent1 和 Parent2 類，而 Parent1 和 Parent2 類又都繼承了 Grandparent 類，導致 Child 類中有兩個 value 成員，直接使用 value 會導致二義性。

虛繼承

虛繼承的引入

為了解決多重繼承中的菱形繼承問題，C++ 引入了虛繼承。虛繼承使得派生類只繼承共同基類的一份子對象，避免了數據冗余和二義性。

虛繼承的使用

在繼承時，使用 virtual 關鍵字指定虛繼承。例如：

class Grandparent {
public:int value;
};class Parent1 : virtual public Grandparent {  // 虛繼承
};class Parent2 : virtual public Grandparent {  // 虛繼承
};class Child : public Parent1, public Parent2 {
public:void printValue() {std::cout << value << std::endl;  // 現在可以正常使用}
};

在上面的代碼中，Parent1 和 Parent2 類都虛繼承了 Grandparent 類，因此 Child 類中只有一個 Grandparent 類的子對象，value 成員可以直接使用。

虛繼承的工作原理

虛繼承通過虛基類表（vbtable）實現。虛基類表存儲了虛基類子對象在派生類對象中的偏移量等信息。在創建派生類對象時，編譯器會根據虛基類表來正確初始化虛基類子對象，確保每個虛基類子對象在派生類對象中只存在一份。

總結

• 虛函數和 virtual 關鍵字：實現運行時多態，通過虛函數表實現函數調用。
• override 關鍵字：明確表示重寫基類虛函數，提高代碼可讀性和防止拼寫錯誤。
• 多重繼承：允許派生類同時繼承多個基類，但可能帶來菱形繼承和命名沖突問題。
• 虛繼承：解決多重繼承中的菱形繼承問題，通過虛基類表確保共同基類子對象只存在一份。

理解這些概念對于編寫高效、可維護的 C++ 代碼至關重要。在實際開發中，合理運用這些特性可以構建出更加靈活和強大的類層次結構。希望這篇博客能幫助你更好地掌握 C++ 中的這些重要概念。