六、多態(tài)與虛函數(shù)

多態(tài)的基本概念

多態(tài)

  • 多態(tài)分為編譯時(shí)多態(tài)和運(yùn)行時(shí)多態(tài)。
  • 編譯時(shí)多態(tài)主要是指函數(shù)的重載（包括運(yùn)算符的重載）。對(duì)重載函數(shù)的調(diào)用，在編譯時(shí)就可以根據(jù)實(shí)參確定應(yīng)該調(diào)用哪個(gè)函數(shù)，因此稱為編譯時(shí)多態(tài)。
  • 運(yùn)行時(shí)多態(tài)則和繼承、虛函數(shù)等概念有關(guān)。本章中提及的多態(tài)主要是指運(yùn)行時(shí)多態(tài)。
  • 程序編譯階段都早于程序運(yùn)行階段，所以靜態(tài)綁定稱為早綁定，動(dòng)態(tài)綁定稱為晚綁定。靜態(tài)多態(tài)和動(dòng)態(tài)多態(tài)的區(qū)別，只在于在什么時(shí)候?qū)⒑瘮?shù)實(shí)現(xiàn)和函數(shù)調(diào)用關(guān)聯(lián)起來(lái)，是在編譯階段還是在運(yùn)行階段，即函數(shù)地址是早綁定的還是晚綁定的。
  • 在類之間滿足賦值兼容的前提下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)綁定必須滿足以下兩個(gè)條件：
    1. 必須聲明虛函數(shù)
    2. 通過(guò)基類類型的引用或者指針調(diào)用虛函數(shù)

虛函數(shù)

  • 所謂“虛函數(shù)”，就是在函數(shù)聲明時(shí)前面加了virtual關(guān)鍵字的成員函數(shù)。virtual關(guān)鍵字只在類定義中的成員函數(shù)聲明處使用，不能在類外部寫(xiě)成員函數(shù)體時(shí)使用。靜態(tài)成員函數(shù)不能是虛函數(shù)。包含虛函數(shù)的類稱為“多態(tài)類”。

  • 聲明虛函數(shù)成員的一般格式如下：

    virtual 函數(shù)返回值類型 函數(shù)名(行參表);

  • 在類的定義中使用virtual關(guān)鍵字來(lái)限定的成員函數(shù)即稱為虛函數(shù)。再次強(qiáng)調(diào)一下，虛函數(shù)的聲明只能出現(xiàn)在類定義中的函數(shù)原型聲明時(shí)，不能在類外成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候。

  • 派生類可以繼承基類的同名函數(shù)，并且可以在派生類中重寫(xiě)這個(gè)函數(shù)。如果不使用虛函數(shù)，當(dāng)使用派生類對(duì)象調(diào)用這個(gè)函數(shù)，且派生類中重寫(xiě)了這個(gè)函數(shù)時(shí)，則調(diào)用派生類中的同名函數(shù)，即“隱藏”了基類中的函數(shù)。

  • 當(dāng)然，如果還想調(diào)用基類的函數(shù)，只需在調(diào)用函數(shù)時(shí)，在前面加上基類名及作用域限定符即可。

關(guān)于虛函數(shù)，有以下幾點(diǎn)需要注意：

  1. 雖然將虛函數(shù)聲明為內(nèi)聯(lián)函數(shù)不會(huì)引起錯(cuò)誤，但因?yàn)閮?nèi)聯(lián)函數(shù)是在編譯階段進(jìn)行靜態(tài)處理的，而對(duì)虛函數(shù)的調(diào)用是動(dòng)態(tài)綁定的，所以虛函數(shù)一般不聲明為內(nèi)聯(lián)函數(shù)。
  2. 派生類重寫(xiě)基類的虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)多態(tài)，要求函數(shù)名。參數(shù)列表及返回值類型要完全相同。
  3. 基類中定義了虛函數(shù)，在派生類中該函數(shù)始終保持虛函數(shù)的特性。
  4. 只有類的非靜態(tài)成員函數(shù)才能定義為虛函數(shù)，靜態(tài)成員函數(shù)和友元函數(shù)不能定義為虛函數(shù)。
  5. 如果虛函數(shù)的定義是在類體外，則只需在聲明函數(shù)時(shí)添加virtual關(guān)鍵字，定義時(shí)不加virtual關(guān)鍵字。
  6. 構(gòu)造函數(shù)不能定義為虛函數(shù)。最好也不要將operator=定義為虛函數(shù)，因?yàn)槭褂脮r(shí)容易混淆。
  7. 不要在構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用虛函數(shù)。在構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中，對(duì)象是不完整的，可能會(huì)出現(xiàn)未定義的行為。
  8. 最好將基類的析構(gòu)函數(shù)聲明為虛函數(shù)。

通過(guò)基類指針實(shí)現(xiàn)多態(tài)

聲明虛函數(shù)后，派生類對(duì)象的地址可以賦值給基類指針，也就是基類指針可以指向派生類對(duì)象。
對(duì)于通過(guò)基類指針調(diào)用基類和派生類中都有的同名、同參數(shù)表的虛函數(shù)的語(yǔ)句，編譯時(shí)系統(tǒng)并不確定要執(zhí)行的是基類還是派生類的虛函數(shù)；
而當(dāng)程序運(yùn)行到該語(yǔ)句時(shí)，
如果基類指針指向的是一個(gè)基類對(duì)象，則調(diào)用基類的虛函數(shù)；
如果基類指針指向的是一個(gè)派生類對(duì)象，則調(diào)用派生類的虛函數(shù)。

#include <iostream>
using namespace std;

class A {
public:
    virtual void Print() {
        cout << "A::Print" << endl;
    }
};

class B : public A {
public:
    virtual void Print() {
        cout << "B::Print" << endl;
    }
};

class D : public A {
public:
    virtual void Print() {
        cout << "D::Print" << endl;
    }
};

class E : public B {
public:
    virtual void Print() {
        cout << "E::Print" << endl;
    }
};

int main() {
    A a;
    B b;
    D d;
    E e;
    
    A *pa = &a;//基類pa指針指向基類對(duì)象a
    B *pb = &b;//派生類pb指針指向基類對(duì)象b
    
    pa->Print();//多態(tài)，目前指向基類對(duì)象a，調(diào)用a.Print()
    
    pa = pb;//派生類指針賦值給基類指針，pa指向派生類對(duì)象b
    pa->Print();//多態(tài)，目前指向派生類對(duì)象b，調(diào)用b.Print()
    
    pa = &d;//基類指針pa指向派生類對(duì)象d
    pa->Print();//多態(tài)，目前指向派生類對(duì)象d，調(diào)用d.Print()
    
    pa = &e;//基類指針pa指向派生類對(duì)象e
    pa->Print();//多態(tài)，目前指向派生類對(duì)象e，調(diào)用e.Print()

    return 0;
};

通過(guò)基類引用實(shí)現(xiàn)多態(tài)

通過(guò)基類指針調(diào)用虛函數(shù)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多態(tài)，通過(guò)基類的引用調(diào)用虛函數(shù)的語(yǔ)句也是多態(tài)的。
即通過(guò)基類的引用調(diào)用基類和派生類中同名、同參數(shù)表的虛函數(shù)時(shí)，
若其引用的是一個(gè)基類的對(duì)象，則調(diào)用的是基類的虛函數(shù)；
若其引用的是一個(gè)派生類的對(duì)象，則調(diào)用的是派生類的虛函數(shù)。

#include <iostream>
using namespace std;

class A {
public:
    virtual void Print() {
        cout << "A::Print" << endl;
    }
};

class B : public A {
public:
    virtual void Print() {
        cout << "B:Print" << endl;
    }
};

void PrintInfo(A &r) {
    //多態(tài)，使用基類引用調(diào)用哪個(gè)Print()，取決于r引用了哪個(gè)類的對(duì)象
    r.Print();
}

int main() {
    A a;
    B b;
    
    PrintInfo(a);//使用基類對(duì)象，調(diào)用基類中的函數(shù)
    PrintInfo(b);//使用派生類對(duì)象，調(diào)用派生類中的函數(shù)
    
    return 0;
}

多態(tài)的實(shí)現(xiàn)原理

多態(tài)的關(guān)鍵在于通過(guò)基類指針或引用調(diào)用一個(gè)虛函數(shù)時(shí)，編譯階段不能確定到底調(diào)用的是基類還是派生類的函數(shù)，運(yùn)行時(shí)才能確定。

派生類對(duì)象占用的存儲(chǔ)空間大小，等于基類成員變量占用的存儲(chǔ)空間大小加上派生類對(duì)象自身成員變量占用的存儲(chǔ)空間大小。

多態(tài)的使用

在普通成員函數(shù)（靜態(tài)成員函數(shù)、構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)除外）中調(diào)用其他虛成員函數(shù)也是允許的，并且是多態(tài)的。

#include <iostream>
using namespace std;

class CBase {
public:
    void func1() {
        cout << "CBase::func1()" << endl;
        func2();//在成員函數(shù)中調(diào)用虛函數(shù)
        func3();
    };
    virtual void func2() {
        cout << "CBase::func2()" << endl;
    };
    void func3() {
        cout << "CBase::func3()" << endl;
    };
};

class CDerived : public CBase {
public:
    virtual void func2() {
        cout << "CDerived::func2()" << endl;
    };
    void func3() {
        cout << "CDerived::func3()" << endl;
    };
};

int main() {
    CDerived d;
    d.func1();
    //CBase::func1()
    //CDerived::func2()
    //CBase::func3()

    return 0;
};

不僅能在成員函數(shù)中調(diào)用虛函數(shù)，還可以在構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用虛函數(shù)，但這樣調(diào)用的虛函數(shù)不是多態(tài)的。

#include <iostream>
using namespace std;

class A {
public:
    virtual void hello() {
        cout << "A::hello" << endl;
    };
    virtual void bye() {
        cout << "A::bye" << endl;
    };
};

class B : public A {
public:
    virtual void hello() {
        cout << "B::hello" << endl;
    };
    B() {
        hello();//調(diào)用虛函數(shù)，但不是多態(tài)
    };
    ~B() {
        bye();//調(diào)用虛函數(shù)，但不是多態(tài)
    };
};

class C : public B {
public:
    virtual void hello() {
        cout << "C::hello" << endl;
    };
};

int main() {
    C c;
    //B::hello
    //A::bye

    return 0;
};
  • 在構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用的，編譯系統(tǒng)可以據(jù)此決定調(diào)用哪個(gè)類中的版本，所以它不是多態(tài)的；
  • 在析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用的，所以也不是多態(tài)；
  • 實(shí)現(xiàn)多態(tài)時(shí)，必須滿足的條件是：使用基類指針或引用來(lái)調(diào)用基類中聲明的虛函數(shù)。
  • 派生類中繼承自基類的虛函數(shù)，可以寫(xiě)virtual關(guān)鍵字，也可以省略這個(gè)關(guān)鍵字，這不影響派生類中的函數(shù)也是虛函數(shù)。
#include <iostream>
using namespace std;

class A {
public:
    void func1() {
        cout << "A::func1" << endl;
    };
    virtual void func2() {//虛函數(shù)
        cout << "A::func2" << endl;
    };
};

class B : public A {
public:
    virtual void func1() {
        cout << "B::func1" << endl;
    };
    void func2() {//自動(dòng)成為虛函數(shù)
        cout << "B::func2" << endl;
    };
};

class C : public B {
public:
    void func1() {//自動(dòng)成為虛函數(shù)
        cout << "C::func1" << endl;
    };
    void func2() {//自動(dòng)成為虛函數(shù)
        cout << "C::func2" << endl;
    };
};

int main() {
    C c;
    A *pa = &c;
    B *pb = &c;
    
    pa->func2();//多態(tài) C::func2
    pa->func1();//因?yàn)榛惖膄unc1不是虛函數(shù)，這也的調(diào)用也不是多態(tài) A::func1
    pb->func1();//多態(tài) C::func1

    return 0;
};

虛析構(gòu)函數(shù)

  • 如果一個(gè)基類指針指向的對(duì)象是用new運(yùn)算符動(dòng)態(tài)生成的派生類對(duì)象，那么釋放該對(duì)象所占用的空間時(shí)，如果僅調(diào)用基類的析構(gòu)函數(shù)，則只會(huì)完成該析構(gòu)函數(shù)內(nèi)的空間釋放，不會(huì)涉及派生類析構(gòu)函數(shù)內(nèi)的空間釋放，容易造成內(nèi)存泄露。

  • 聲明虛析構(gòu)函數(shù)的一般格式如下：

    virtual ~類名();

  • 虛析構(gòu)函數(shù)沒(méi)有返回值類型，沒(méi)有參數(shù)，所以它的格式非常簡(jiǎn)單。

  • 如果一個(gè)類的虛構(gòu)函數(shù)是虛函數(shù)，則由他派生的所有子類的析構(gòu)函數(shù)也是虛析構(gòu)函數(shù)。使用虛析構(gòu)函數(shù)的目的是為了在對(duì)象消亡時(shí)實(shí)現(xiàn)多態(tài)。

#include <iostream>
using namespace std;

class ABase {
public:
    ABase() {
        cout << "ABase構(gòu)造函數(shù)" << endl;
    };
    virtual ~ABase() {
        cout << "ABase::析構(gòu)函數(shù)" << endl;
    };
};

class Derived : public ABase {
public:
    Derived() {
        cout << "Derived構(gòu)造函數(shù)" << endl;
    };
    ~Derived() {
        cout << "Derived::析構(gòu)函數(shù)" << endl;
    };
};

int main() {
    ABase *a = new Derived();
    delete a;
    //ABase構(gòu)造函數(shù)
    //Derived構(gòu)造函數(shù)
    //Derived::析構(gòu)函數(shù)
    //ABase::析構(gòu)函數(shù)

    return 0;
};
  • 可以看出，不僅調(diào)用了基類的析構(gòu)函數(shù)，也調(diào)用了派生類的析構(gòu)函數(shù)
  • 只要基類的析構(gòu)函數(shù)是虛函數(shù)，那么派生類的析構(gòu)函數(shù)不論是否用virtual關(guān)鍵字聲明，都自動(dòng)成為虛析構(gòu)函數(shù)
  • 一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)類如果定了虛函數(shù)，則最好將析構(gòu)函數(shù)也定義成虛函數(shù)。不過(guò)切記，構(gòu)造函數(shù)不能是虛函數(shù)

純虛函數(shù)和抽象類

純虛函數(shù)

  • 純虛函數(shù)的作用相當(dāng)于一個(gè)統(tǒng)一的接口形式，表明在基類的各派生類中應(yīng)該有這樣的一個(gè)操作，然后在各派生類中具體實(shí)現(xiàn)與本派生類相關(guān)的操作。

  • 純虛函數(shù)是聲明在基類中的虛函數(shù)，沒(méi)有具體的定義，而由個(gè)派生類根據(jù)實(shí)際需要給出各自的定義。

  • 聲明純虛函數(shù)的一般格式如下：

    virtual 函數(shù)類型 函數(shù)名(參數(shù)表) = 0;

  • 純虛函數(shù)沒(méi)有函數(shù)體，參數(shù)標(biāo)后要寫(xiě)= 0。派生類中必須重寫(xiě)這個(gè)函數(shù)。按照純虛函數(shù)名調(diào)用時(shí)，執(zhí)行的是派生類中重寫(xiě)的語(yǔ)句，即調(diào)用的是派生類中的版本。

純虛函數(shù)不同于函數(shù)體為空的虛函數(shù)，
它們的不同之處如下：

  1. 純虛函數(shù)沒(méi)有函數(shù)體，而空的虛函數(shù)的函數(shù)體為空
  2. 純虛函數(shù)所在的類是抽象類，不能直接進(jìn)行實(shí)例化；而空的虛函數(shù)所在的類是可以實(shí)例化的。

它們的共同特點(diǎn)是：
純虛函數(shù)與函數(shù)體為空的虛函數(shù)都可以派生出新的類，然后在新類中給出虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，而且這種新的實(shí)現(xiàn)具有多態(tài)特征。

抽象類

包含純虛函數(shù)的類稱為抽象類。因?yàn)槌橄箢愔杏猩形赐瓿傻暮瘮?shù)定義，所以它不能實(shí)例化一個(gè)對(duì)象。抽象類的派生類中，如果沒(méi)有給出全部純虛函數(shù)的定義，則派生類繼續(xù)是抽象類。直到派生類中給出全部純虛函數(shù)定義后，它才不再是抽象類，也才能實(shí)例化一個(gè)對(duì)象。****雖然不能創(chuàng)建抽象類的對(duì)象，但可以定義抽象類的指針和引用。這樣的指針和引用可以指向并訪問(wèn)派生類的成員，這種訪問(wèn)具有多態(tài)性。

#include <iostream>
using namespace std;

class A {
public:
    virtual void Print() = 0;//純虛函數(shù)
    void func1() {
        cout << "A_func1" << endl;
    };
};

class B : public A {
public:
    void Print();
    void func1() {
        cout << "B_func1" << endl;
    };
};
void B::Print() {
    cout << "B_print" << endl;
};

int main() {
    //A a;           //?，抽象類不能實(shí)例化
    //A *pa = new A; //?，不能創(chuàng)建抽象類類A的示例
    //B b[2];        //?，不能聲明抽象類的數(shù)組

    A *pa;         //?，可以聲明抽象類的指針
    A *pb = new B; //使用基類指針指向派生類對(duì)象
    pb->Print();   //多態(tài)，調(diào)用的是類B中的函數(shù)，B_print
    
    B b;
    A *pb1 = &b;
    pb1->func1();//不是虛函數(shù)，調(diào)用的是類A中的函數(shù)，A_func1
    
    return 0;
};

虛基類

定義虛基類的一般格式如下：

class 派生類名 : virtual 派生方式 基類名 {
    派生類體
};

多重繼承的模型結(jié)構(gòu)圖如下：

多重繼承

為了避免產(chǎn)生二義性，C++提供虛基類機(jī)制，使得在派生類中，繼承同一個(gè)間接基類的成員僅保留一個(gè)版本。

#include <iostream>
using namespace std;

class A {
public:
    int a;
    void showa() {
        cout << "a = " << a << endl;
    };
};

class B : virtual public A {//對(duì)類A進(jìn)行了虛繼承
public:
    int b;
};

class C : virtual public A {//對(duì)類A進(jìn)行了虛繼承
public:
    int c;
};

class D : public B, public C {
//派生類D的兩個(gè)基類B、C具有共同的基類A
//采用了虛繼承，從而使類D的對(duì)象中只包含著類A的一個(gè)示例
public:
    int d;
};

int main() {
    D dObj;     //聲明派生類D的對(duì)象
    dObj.a = 11;//若不是虛繼承，這里會(huì)報(bào)錯(cuò)！因?yàn)椤癉::a”具有二義性
    dObj.b = 22;
    
    dObj.showa();//a = 11
    //若不是虛繼承，這里會(huì)報(bào)錯(cuò)！因?yàn)椤癉::showa”具有二義性
    
    cout << "dObj.b = " << dObj.b << endl;//dObj.b = 22

    return 0;
};
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